Karakterisatie en Optimalisatie van Nanovloeistoffen voor Warmteoverdracht – een Optische Methode

Efficiënte warmteoverdracht is niet alleen nodig in technische toepassingen. De ontwikkeling van chips voor geïntegreerde schakelingen bijvoorbeeld wordt momenteel beperkt door een haalbare en robuuste oplossing voor efficiënte warmteafvoer vanwege de aanzienlijk toegenomen stroomdichtheid in de afgelopen decennia. Intensivering van de warmteoverdracht kan zowel passief als actief plaatsvinden. Ongeacht welke benadering wordt gekozen, wordt de warmteoverdrachtscoëfficiënt bepaald door de thermische geleidbaarheid van het vloeistofmedium voor hetzelfde ontwerp. Een nanovloeistof is een functionele colloïdale dispersie met nanodeeltjes die dient om het warmteoverdrachtsproces te intensiveren.
Nanodeeltjes met een hoog warmtegeleidingsvermogen, zoals metalen en metaaloxiden, worden gedispergeerd in warmteoverdrachtsvloeistoffen om de warmteoverdrachtsprestaties te verbeteren. Hoewel de resultaten veelbelovend lijken voor het potentieel van nanovloeistoffen, werden de meeste experimenten uitgevoerd met verse nanovloeistoffen met bolvormige nanodeeltjes. Aggregatie veroorzaakt door Brownse beweging zou na verloop van tijd de verbetering van de thermische geleidbaarheid van nanovloeistoffen beperken, dewelke nog gecompliceerder is voor anisotrope nanovloeistoffen. Het ontwikkelen van een strategie voor formuleringen die aggregatie voorkomen met een minimale impact op de warmteoverdrachtprestaties van nanovloeistoffen, is dus van vitaal belang om nanovloeistoffen als praktische oplossing voor efficiënte warmteoverdracht te behouden.
Kwantumstippen zijn nanokristallen die fotoluminescent worden wanneer ze worden belicht door UV-licht. Bij conventionele kwantumstippen staat de fotoluminescentiegolflengte in direct verband met de grootte van het individuele nanokristal door het kwantumopsluitingseffect. Perovskietkwantumstippen hebben een bandkloof die afhankelijk is van de bindingslengte binnen het rooster, waardoor de fotoluminescentiegolflengte veel nauwer verdeeld is dan bij traditionele kwantumstippen. Halide perovskietkwantumstippen  onderscheiden zich in optische toepassingen door hun hoge fotoluminescentie kwantumopbrengst, smalle piekbreedte, korte reactietijd en hoge tolerantie voor structurele defecten. De fotoluminescentie-intensiteit van de kwantumstippen is direct gekoppeld aan de temperatuur door het thermische afrikkingseffect, dat een stabiele relatie geeft tussen de fotoluminescentie-intensiteit en de temperatuur.

In dit proefschrift wordt een strategie voor formuleringen voorgesteld die de anti-aggregatie en de warmteoverdrachtsprestaties van anisotrope nanovloeistoffen in balans brengt. Het onderzoek bestaat dus uit twee delen: de ontwikkeling van formuleringen voor anisotrope nanovloeistoffen en de ontwikkeling van een karakterisatiemethode om de warmteoverdrachtprestaties van de verbeterde nanovloeistoffen met verschillende formuleringen onder hun werkomstandigheden te verifiëren.
In het eerste deel wordt een gedetailleerd onderzoek uitgevoerd naar de dispersie- en aggregatieprestaties van γ - Al2O3 - DI en β - SiC - DI nanovloeistoffen met formuleringen met verschillende additieven. Gebruikmakende van de DLVO theorie worden pH-regelaars, oppervlakteactieve stoffen en polymeerdispergeermiddelen toegevoegd aan de nanovloeistoffen om hun bijdrage aan het voorkomen van aggregatie van de gedispergeerde nanodeeltjes te onderzoeken. De bijdrage van elke additieve stof aan de afname van de grootteverdeling is enigszins verschillend voor γ - Al2O3 - DI en kubieke anisotrope β - SiC - DI nanovloeistoffen. Dit impliceert dat de kromming van de oppervlakken een dominant effect heeft op de aggregatiekinetiek van nanodeeltjes met een vergelijkbare grootte en bolvormigheid.
Om een karakterisatiemethode te ontwikkelen die de temperatuur in situ en in 2D kan meten, wordt een nieuw type n-octylamine gesubstitueerde CsPbBr3 halide perovskietkwantumstippen gesynthetiseerd, die een tweemaal hogere thermische gevoeligheid bieden in vergelijking met CsPbBr3 QD's gesynthetiseerd via de conventionele Ligand Assisted Reprecipitation (LARP) methode. Samen met de rode CsPbBr1.2I1.8 QD's worden de gesynthetiseerde QD's in een dunne film met PMMA gegoten en de thermische gevoeligheid van de nieuw gesynthetiseerde QD's wordt grondig onderzocht, samen met de thermische stabiliteit van de QD-PMMA film. Door gebruik te maken van de CsPbBr3 QD-PMMA film is een 2D in situ thermometer ontwikkeld voor microkanalen met een uitstekende ruimtelijke en temporele resolutie. Een casestudy over het produceren van 2D temperatuurkaarten in situ met een bepaalde combinatie van wand- en vloeistoftemperaturen en onder laminaire stromingscondities is uitgevoerd om de ruimtelijke en temporele resolutie van de voorgestelde benadering aan te tonen. Er wordt een 2D warmtefluxmeter voor stabiele toestand gebouwd door de CsPbBr1.2I1.8 QD-PMMA-film toe te voegen aan het ontwerp. De warmtestroommeter wordt getest met PDMS en nanovloeistoffen uit het eerste  deel met twee afzonderlijke benaderingen met één en twee camera's.

Ten slotte is er een 2D in situ warmtefluxmeter gebouwd voor het bestuderen van de warmteflux van individuele stationaire druppels tijdens het droogproces met behulp van een combinatie van thermokoppels en de CsPbBr3 QD-PMMA film. Een selectie van nanovloeistoffen en hun corresponderende nanovloeistof- PDMS-emulsies zijn bestudeerd met deze in situ 2D warmtefluxmeter. Er zijn verschillende warmtefluxpatronen tijdens het drogen waargenomen voor elk type werkvloeistof vanwege hun morfologie tijdens het drogen.