탄소나노튜브 분산 및 열전도 측정에 관한 연구

Abstract

본 연구는 여러 가지 산업 분야 및 열교환기 작동유체로서의 가능성을 알아보기 위해 나노유체의 특성을 살펴 보고자 하였다. 비정상 열선법을 이용하여 나노유체의 열전도도를 측정하고, 디지털 회전형 점도계를 통하여 나노유체의 점도를 측정하였다. 나노유체의 열전도도 및 점도는 입자 체적 분율을 변수로 하여 측정을 수행하였으며, 분산 방법에 따른 열전도도 및 점도를 측정하여 열전도도 및 점도 특성을 살펴보고 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. (1) 나노유체의 열전도도를 측정하는 방법으로 잘 알려져 있는 비정상 열선법을 이용하여 기본 유체 및 나노유체의 열전도도를 측정할 수 있는 시스템을 구축하였으며, 물의 온도에 따른 열전도도 데이터는 CRC Handbook of Chemistry and Physics에 나와있는 열전도도와 비교하였을 때 오차 범위 1% 이내로 일치하는 것을 보았을 때, 비교적 정확한 시스템을 구축하였다. (2) 나노유체와 PVP의 적정 혼합 비율을 알아보기 위해 PVP를 100~500 wt% 첨가한 결과, 무게분율이 올라 갈수록 열전도도가 점점 증가하지만, 300 wt%이상이 되었을 때에는 더 이상 증가하지 않고 300 wt%를 첨가하였을 경우와 비슷하거나 약간 감소하는 경향을 볼 수 있다. 따라서 PVP를 혼합할 경우 가장 적절한 무게분율은 첨가된 탄소나노튜브 체적대비 300 wt%가 되는 것을 알 수 있었다. (3) 분산방법에 따른 열전도도를 비교 하여 보았을 때, 300 wt%의 PVP를 첨가한 나노유체와 산처리된 탄소나노유체가 선행연구에서 제시한 100 wt%의 SDS보다 열전도도가 우수하다는 것을 알 수 있었고, 산처리된 탄소나노유체의 열전도도가 가장 우수함을 알 수 있었다. 또한, 탄소나노튜브 첨가 하였을 때, 0.001 vol%까지 열전도도가 급격히 증가하므로 유체에 소량의 탄소나노튜브를 첨가하여도 열전도도가 증가한다는 것을 알 수 있었다. (4) SDS, PVP등 첨가제를 혼합하여 나노유체를 제조하였을 경우 첨가제를 넣지 않은 나노유체보다 점도가 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한, 산처리된 탄소나노유체는 첨가제를 집어 넣지 않은 탄소나노유체와 점도가 비슷한 것을 볼 수 있었다. 따라서 여러 가지 산업적인 분야 및 열교환기의 작동유체로서 사용하기 위해서는 열전도도가 우수하고 기본유체에 비해 점도가 크게 증가하지 않는 화학적 개질에 의한 분산방법으로 나노유체를 제조하고 이용해야 된다고 사료된다.

Currently, carbon nanotubes play a pivotal role in nanoscience and nanotechnology since their discovery in 1991. Their enforced mechanical, thermal, electrical, and optical properties have attracted material industry and academic society. owing to their great possibilities, carbon nanotubes are expected to substitute a variety of classical materials in future. However, strong van der Waals force among carbon nanotubes and huge aspect ratio often resulted in self-agglomeration. These genuine properties have interrupted a fine dispersion of carbon nanotubes to matrix materials. To over come such obstacles, a number of research has dealt with surface modification of carbon nanotubes to improve their wettability and adhesion. In this study, for the dispersion of multi-walled carbon nanotubes, two dispersion methods were used. One method is dispersing of carbon nanotubes with dispersants of polyvinyl pyrrolidone and Sodium Dodecyl Sulfate, SDS, and Polyvinylpyrrolidone, PVP, and the other one is dispersing of carbon nanotubes via a direct oxidization treatment with strong acid. SDS or PVP was added in pure water. And then, MWCNT of 0.0005, 0.001, 0.002, 0.003, 0.004, 0.005, 0.01, and 0.02 vol% was dispersed respectively. The thermal conductivity and the viscosity were measured with a transient hot-wire instrument built for this study and the DV II+ Pro viscometer. The results showed that PVP had good thermal conductivity at 300 wt% and this was better than that of SDS 100 wt%. also, Oxidation MWCNT is showed best thermal conductivity than other nanofluids. The viscosity of nanofluids added SDS, PVP are higher increaing than nanofluid without additive. also, Oxidaion nanofluid's viscosity was similar that nanofluid without additive. Therefore, many industrial sectors and the working fluids heat exchanger to be used nanofluids that chemical modification methods used to produce nanofluids.