O tempo de sonicação apresenta grande influência na dispersão dos nanofluidos nas concentrações de 0,25, 0,5 e 1,0 % m/m de MWCNT e por consequência impactou na condutividade térmica das suspensões. Observa-se, pelo gráfico da Figura 13, que o tempo ótimo de sonicação para suspensões de MWCNT 1,0 % m/m está situado entre 220 e 340 minutos, quando se atinge o valor máximo de condutividade térmica.
O aumento da condutividade térmica em função do tempo de sonicação é mais evidente nas maiores concentrações de MWCNT, onde foi possível observar maior redução do tamanho médio e menor aquecimento das suspensões devido ao melhor aproveitamento da energia de sonicação em concentrações mais elevadas (YANG et al., 2013).
A sonicação promove a desagregação dos aglomerados e a quebra dos nanotubos em fragmentos menores levando ao aumento da condutividade até um ponto de máximo valor (YU et al., 2007), porém o tempo muito longo ou uma alta potência de sonicação promovem grande formação de fragmentos amorfos que não apresentam boa condutividade térmica e ocasionam uma redução da condutividade térmica do nanofluido (KOSHIO et al., 2001).
Resultados Etapa I
Figura 13 Variação da condutividade térmica e tamanho médio dos nanofluidos de A.G-MWCNT; TrX- MWCNT e COOH-MWCNT com 1 % m/m em função do tempo de sonicação.
Fonte:Do autor
Na Figura 13 estão mostrados os comportamentos da condutividade térmica dos nanofluidos produzidos com goma arábica 0,25 % m/m, triton X-100 0,25 % m/m e COOH-MWCNT em pH 10,0 na concentração de 1,0% m/m de nanotubos de carbono, medidas após diferentes tempos de sonicação, demonstrando que o aumento da dispersão ocasiona aumento da condutividade térmica, porém elevados tempos de sonicação prejudicam a condutividade térmica do nanofluido muito provavelmente pela quebra dos nanotubos em fragmentos amorfos.
Os fragmentos amorfos provavelmente são responsáveis também pela separação de fase irreversível dos nanofluidos com Triton X-100 após 220 minutos de sonicação.
Resultados Etapa I
Nestas suspensões, o elevado tamanho médio das nanopartículas nos nanofluidos com 0,5 e 1,0 % em massa de MWCNT indica que a concentração do surfactante deve ser maior para garantir a dispersão, a formação dos fragmentos amorfos tende a aumentar a possibilidade de aproximação entre os nanotubos sem revestimento de surfactante, o que levou à agregação entre os nanotubos de carbono nas suspensões de Triton X-100. Nos nanofluidos com a goma arábica, apesar da redução da condutividade térmica também observada por Gulotty et al. (2013), não apresentou o aumento do tamanho médio dos MWCNT nem mesmo a separação de fases, indicando maior estabilidade em comparação com os nanofluidos com Triton X-100.
A formação destes fragmentos amorfos não prejudica a dispersão das amostras produzidas com goma arábica, apesar de influenciar negativamente na condutividade térmica, porém no caso das amostras produzidas com Triton X-100 e nas amostras produzidas com nanotubos funcionalizados, o aumento da concentração de fragmentos amorfos leva ao aumento da instabilidade, elevando o tamanho médio dos nanotubos em suspensão além de reduzir a condutividade térmica.
O aumento da condutividade térmica em função do tempo de sonicação está relacionado com a maior dispersão dos nanotubos, como pode ser observado nas imagens da microscopia eletrônica de transmissão, ilustradas na Figura 12.
A avaliação da densidade após os tempos de sonicação de 40, 100, 160 e 220 minutos não apresentou variação, o que indica que não há variação na concentração de MWCNT dispersada em função do tempo de sonicação, mas sim, no grau de dispersão devido à redução das partículas.
Na Figura 14, é mostrado o comportamento da razão entre as condutividades do nanofluido e do fluido-base (knf/kfb) para as suspensões dos três tipos de nanofluidos nas
Resultados Etapa I
Figura 14 Condutividade térmica dos nanofluidos nas concentrações de 0,5 % e 1,0 % m/m e dos respectivos fluidos-base em comparação com a razão knf / kfb em função da temperatura de medida.
Fonte: Do autor
A condutividade térmica da suspensão A.G-MWCNT com 1,0 % m/m na temperatura de 30 °C aproximou-se aos valores medidos por Garg et al. (2009), que encontraram razão knf / kfb de 1,1, porém nas temperaturas mais altas a relação knf / kfb
apresenta uma diminuição, enquanto que, no trabalho de Garg et al. (2009), verificou-se um aumento para 1,2 a 35 °C e uma tendência de aumento não linear com o aumento da temperatura. O ajuste do aumento de knf / kfb em função das concentrações a diferentes
temperaturas do presente estudo está mostrado na Figura 15 e segue uma equação de segundo grau, indicada na Tabela 11 para os diferentes nanofluidos ensaiados.
Resultados Etapa I
Figura 15 Ajustes da razão da condutividade térmica dos nanofluidos com a condutividade do fluido-base para: A) COOH-MWCNT; B) A.G-MWCNT e C) TrX-MWCNT nas concentrações de 1,0; 0,5 ; 0,25 e 0,125 % m/m nas temperaturas de 30, 40, 50 e 60 °C.
Fonte: Do autor
Resultados Etapa I
Tabela 11. Ajustes para a razão da condutividade do nanofluido com a condutividade do fluido-base versus a concentração de nanotubos de carbono para temperaturas específicas.
Temperature [°C] Nanofluids knf/kWt = A + B1.x + B2.x2: A= (intercepto); = B1 (parâmetro1); B2 = (Parâmetro2); x = MWCNT concentração) A.G-MWCNT TrX-MWCNT COOH-MWCNT 30 A 0,9959 A 0,9575 A 0,9894 B1 0,1207 B1 0,2785 B1 0,1761 B2 -0,0088 B2 -0,1639 B2 -0,0471 R2 0,9924 R2 0,6515 R2 0,9990 40 A 0,9834 A 0,9652 A 0,9993 B1 0,1741 B1 0,0279 B1 0,1296 B2 -0,0570 B2 -0,1702 B2 -0,0025 R2 0,9510 R2 0,5678 R2 0,9950 50 A 0,9916 A 0,9779 A 1,0038 B1 0,1047 B1 0,1996 B1 0,1399 B2 0,0003 B2 -0,1115 B2 0,0002 R2 0,9752 R2 0,6758 R2 0,9930 60 A 0,9969 A 0,9802 A 1,0039 B1 0,0968 B1 0,1523 B1 0,0976 B2 0,0021 B2 -0,0637 B2 0,0493 R2 0,9894 R2 0,7892 R2 0,9970
As amostras produzidas com COOH-MWCNT apresentaram um aumento da razão knf/kfb em função da temperatura que alcançou um valor próximo de 1,15 na
temperatura de 60 °C. Ding et al. (2006) reportaram razões de 1,8 na temperatura de 30 °C, enquanto Sadri et al. (2014) alcançaram um aumento de 23,44 % na condutividade térmica a 45 °C após um tempo sonicação de 40 minutos. Já nos trabalhos de Wen e Ding (2004) e Xie et al. (2003), a razão knf / kfb alcançou valores entre 1,03 e 1,2 nas
concentrações volumétricas de 0,05 a 0,9 %. Apesar dos valores apresentarem pouca proximidade, todos os estudos indicam um aumento não linear na condutividade térmica com a temperatura e apontam para a difusão browniana como principal causa deste comportamento (GARG et al., 2009; GULOTTY et al., 2013 e DING et al., 2006).
As suspensões com Triton X-100 apresentaram maior aumento da condutividade térmica nas menores concentrações em comparação com as suspensões de goma arábica. É possível perceber também uma redução na razão knf /kfb a partir da
temperatura de 40 °C, indicando um possível ponto de máximo com leve aumento nesta temperatura. No entanto, nas concentrações de 1,0 e 0,5 % m/m, a suspensão apresenta
Resultados Etapa I
um problema de estabilidade, onde o tamanho dos nanotubos em suspensão passa a aumentar após o tempo de sonicação de 160 minutos até a separação de fases que ocorre após 280 minutos.
A condutividade térmica apresentou um aumento máximo de 7,5 %, porém uma aplicação real estaria limitada a concentrações próximas a 0,25 % m/m de MWCNT, onde se verifica um aumento de aproximadamente 3 % na condutividade térmica em relação ao flúido-base.
O maior aumento da razão knf /kfb foi obtido pelas suspensões de COOH-
MWCNT, onde também foi registrado um aumento da razão com o aumento da temperatura. As suspensões apresentaram comportamento estável em baixos tempos de sonicação. Porém, a partir de 220 minutos o tamanho médio dos nanotubos em suspensão sofre um aumento vertiginoso e a condutividade térmica sofre um decréscimo também notável. Apesar de não haver separação de fases é possível notar a diferença da consistência dos nanofluidos COOH-MWCNT, sendo possível perceber a formação de grumos que pode ser causada pela quebra excessiva da estrutura dos nanotubos, possibilitando a formação de partículas com pouca ou nenhuma ramificação COOH, desta forma perde-se a camada de interação com a água e atrai outras partículas polares, formando grumos indissociáveis.
No gráfico da Figura 16, é mostrada uma comparação dos resultados obtidos em diferentes estudos.
Figura 16 Variações da condutividade térmica descrita em diferentes estudos com MWCNT
Resultados Etapa I
A falta de concordância entre os diferentes estudos envolvendo a condutividade térmica dos nanofluidos é comum e explicável principalmente pela não homogeneidade dos tamanhos e diâmetros do MWCNT e também por diferentes instrumentos de medição utilizados. O equipamento utilizado para as medidas deste estudo não é relatado em outros estudos utilizados como referência. Isso pode explicar a diferença no comportamento observado na condutividade térmica.
A redução da viscosidade nas temperaturas mais altas implica em maior intensidade dos movimentos brownianos o que causa o aumento da condutividade térmica (LI e FENG, 2008). Porém, isto também aumenta a probabilidade de choques de baixa energia que possibilitam um entrelaçamento entre os nanotubos o que tende a ocasionar a formação de aglomerados com o tempo (STEPHEN, 2013).
Além disso, o diferencial de temperaturas proporcionado pelo aquecimento do fio por efeito joule, no equipamento de medição, promove um movimento convectivo que embora não tenha representado grande desvio na medida da condutividade térmica implica em maior mobilidade das partículas que também promove choques de baixa energia e podem por isso proporcionar uma aglomeração reversível implicando em redução da condutividade térmica medida. O fato do intervalo entre as medidas de cada temperatura demorar em média uma hora e meia, possibilita bastante tempo para os nanotubos se entrelaçarem, o que pode explicar o comportamento da condutividade térmica ter um aumento menor do que em outros trabalhos.