Preparation of copper-bearing nanofluids for thermal applications

Abstract

Stable suspension of nanometer solid particles in suitable solvents, so-called nanofluids, has shown enhanced thermal conductivity when compared with the fluid base; therefore, the preparation and characterization of these type of suspension will enable the development of more efficient and effective thermal management systems. In general, nanofluids hosting metal nanoparticles, (e. g., Ag or Cu) would exhibit better thermal conductivities than those bearing oxide nanoparticles. Accordingly, the present research addressed the optimization of the size-controlled synthesis conditions of copper nanoparticles, determination of the most suitable conditions to stabilize those nanoparticles in ethylene glycol and the reproducible measurement of the thermal conductivity as a function of nanoparticle volumetric load. The research work was also focused on the improvement of the stability and reliability of the system used to measure the thermal conductivity of copper-bearing nanofluids. The synthesis of nanoparticles was achieved through the reduction of copper ions using hydrazine as well as by taking advantage of the reducing power of polyol solutions. The preparation of the copper-bearing stable nanofluid was attempted by treating nanoparticles with surfactant agents to disperse them in the base fluid (ethylene glycol). In the aqueous route, the rate of the Cu reduction reaction and the corresponding average crystallite size of the nanoparticles were strongly dependent on the copper ion and hydrazine concentration. From starting 0.016M Cu solution, the time at which the reduction of Cu was realized was shortened from 12 hours down to only 30 minutes when the concentration of hydrazine was increased from 0.059M to 0.7M. The corresponding average crystallite size decreased from 25nm to 17.8nm. In the polyol approach, the reaction time was as short as 30 seconds when a NaOH/Cu mole ratio = 50 was used. The corresponding average crystallite size, estimated at 21.2nm, went down to 12.7nm when a 5E-7M of Polyvinylpyrrolidone was used. The formation of Copper nanoparticles from starting Cu(II) species, in water and polyol solutions, involved the formation of precursor cuprous oxide (Cu2O), which underwent dissolution and subsequent reduction into elemental Cu. This dissolution-reduction step controls the average size of nanoparticles of elemental Copper. The thermal conductivity of nanofluids produced was measured by using the transient hotwire technique. The relationship between nanoparticle size, volumetric concentration in ethylene glycol and the relative thermal conductivity values are presented and discussed. The thermal conductivity of the base ethylene glycol was increased 32% when copper nanoparticles (7.5 %v/v), averaging 21nm, were suspended in the base fluid.

Suspensiones estables de partículas sólidas de tamaño manométrico en solventes adecuados, también llamadas nanofluidos, muestran un incremento en la conductividad térmica cuando se comparan con el fluido base, por tanto, la preparación y caracterización de eso tipos de suspensiones representa una via para el desarrollo dispositivos más eficientes para el manejo de calor. Nanofluidos cuyas partículas sólidas corresponden a metales (como el oro la plata o el cobre), exhiben en general, un mejor incremento en la conductividad térmica que aquellos nanofluidos preparados con óxidos de escala nanometrica. Este trabajo fue enfocado en la la optimización de las condiciones de síntesis de nanoparticulas de cobre para obtener un control de tamaño adecuado, asimismo para determinar las condiciones mas adecuadas para la estabilización de las nanoparticulas de cobre en etilenglicol, y en las mediciones de la conductividad térmica de las suspensiones preparadas variando el tamaño y la concentración de las nanopartículas en el fluido base. Este trabajo también se enfocó en el mejoramiento de un sistema confiable y reproducible de medición de conductividad térmica relativa. La síntesis de nanopartículas de cobre fue obtenida al utilizar hidracina y etilenglicol, (polyol), como agentes reductores. En el proceso de síntesis vía hidracina (reducción acuosa), la velocidad de reducción del cobre y el correspondiente tamaño de cristalito de las nanopartículas fue fuertemente dependiente de las concentraciones de hidracina y del Ion de cobre. Cuando la concentración de las soluciones de cobre fueron de 0.016M, el tiempo de reacción requerido fue reducido de 12 horas a 30 minutos cuando la concentración de hidracina se incrementó de 0.059M a 0.7M, del mismo modo, el tamaño promedio del cristalito se redujo de 25.0 a17.8nm Utilizando etilenglycol como agente reductor, una solución de acetato de cobre en etilenglycol fue calentada hasta 200ºC en presencia de soluciones de hidróxido de sodio con diferente concentración, cuando la relación entre el número de moles de hidróxido presente y el número de moles de cobre presente fue de 50, el tiempo de reacción se disminuyó a treinta segundos, el tamaño de cristalito correspondiente fue de 21.2nm y fue posible reducirlo hasta 12.7nm cuando una concentración de 5E-7M de polivinilpirrolidona fue introducida en la reacción ya descrita. La formación de nanopartículas de cobre partiendo de iones Cu(II), envuelve la formación de óxido cuproso (Cu2O), que posteriormente se disuelven y conducen a la formación de cobre metálico, la disolución del óxido cuproso es el paso limitante en la reducción del cobre y está directamente relacionado con el tamaño promedio del cristalito. La conductividad térmica de los nanofluidos de cobre fue medida utilizando la técnica del transiente del alambre caliente. La relación entre el tamaño del cristalito y concentración volumétrica para las nanopartículas de cobre suspendidas en etilenglicol son presentadas y discutidas, el mayor incremento en la conductividad térmica encontrado en este trabajo corresponde a un 32% cuando el tamaño de cristalito fue de 21nm y la concentración volumétrica de 7.5%.