Mesures sur les nanofluides

2.3.1 Mesures sur les nanofluides à base de nanotubes

Nous avons utilisé le micro conductimètre thermique décrit plus haut, pour effectuer une étude sur la conductivité thermique des nanofluides. Lors de notre étude, nous avons utilisé un protocole de dispersion de nanotubes de carbone dans l’éthylène glycol décrit par [Liu 2005]. Pour cela nous avons dispersé un échantillon de nanotube « multi feuillet » dans de l’éthylène glycol par traitement ultrasons pendant 2 heures. La mesure de conductivité thermique de ces nanofluides a été effectuée sur des gouttes de 50 µL. Chaque expérience a été successivement répétée 10 fois sur une même goutte. L’augmentation de conductivité thermique obtenue en fonction de la concentration de nanotubes, est donnée par la figure 2.24 :

Figure 2.24 : Mesures de conductivité thermique obtenues avec notre dispositif sur un nanofluide, pour différentes concentrations de nanotubes de carbone dispersées dans de

l’éthylène glycol.

Pour des concentrations de 1 % en masse (0.75% en volume) nous avons constaté des augmentations de conductivité thermique de 23%. Les résultats obtenus sont deux fois supérieurs à ceux obtenus par [Liu 2005] mais sont inférieurs aux d’augmentations de conductivité thermique, déjà mises en évidence par d’autres équipes de recherche. [Wen 2004] [Assael 2005] [Choi 2001]

L’augmentation de conductivité thermique attendue pour un nanofluide à base de nanotubes dépend fortement du rapport d’aspect de ces derniers [Keblinski 2005]. Les différentes caractéristiques physiques des nanotubes utilisés peuvent expliquer les différences d’augmentation de conductivité thermique obtenues d’une étude à l’autre. De plus en fonction de la méthode de dispersion utilisée les nanotubes peuvent s’agglomérer ou par exemple se briser lors des étapes de traitement d’ultrasons.

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2.3.2 Mesures sur les nanofluides contenant des nanoparticules sphériques

Pour tester la validité de ces théories, nous avons testé à l’aide de notre dispositif la conductivité thermique d’un ensemble de nanofluides commerciaux, préalablement dispersés à base d’oxyde métallique et de diélectrique. Les nanofluides utilisés lors de cette étude, ont les caractéristiques affichées suivantes [sigma] [nyacol] :

Matériaux Taille des nanoparticules annoncée (nm) Liquide de base Densité (Kg/m³) Conductivité thermique (W/m.K) Al2O3 CeO2 SiO2 TiO2 < 20 < 25 < 15 < 50 Eau Eau Ethanol Eau 3.9 7.65 2.18 4.05 26-35 - 1.3 2.5-5.0 Table 2.1 : tableau récapitulatif des propriétés des nanoparticules utilisées. Les nanofluides ont été traites aux ultrasons durant 2 heures pour re-disperser les nanoparticules avant l’expérience. La mesure de conductivité thermique de ces nanofluides a été effectuée sur des gouttes de 50 µL. Chaque expérience a été successivement répétée 10 fois sur une même goutte.

Figure 2.25 : Conductivité thermique obtenue sur une dispersion de nanoparticules d’ Al2O3

dans de l’eau. La conductivité du liquide augmente avec la concentration de nanoparticules. Nous observons sur la figure 2.25 une augmentation de la conductivité thermique du fluide de 10% pour une concentration massique d’Al2O3 de 10%. (2,5% en volume) Ce résultat ne met pas en valeur un effet particulier dû à la taille nanométrique des particules et reste dans les gammes d’augmentation de conductivité thermique donnée par la théorie du milieu effectif.

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Figure 2.26 : Conductivité thermique obtenue sur une dispersion de nanoparticules de CeO2

dans de l’eau. La conductivité du liquide augmente avec la concentration de nanoparticules. Nous observons sur la figure 2.26 une augmentation de la conductivité thermique du fluide de 3,5% pour une concentration massique de CeO2 de 10%. (1,3% en volume) Ce résultat ne met pas en valeur un effet particulier dû à la taille nanométrique des particules.

Figure 2.27 : Conductivité thermique obtenue sur une dispersion de nanoparticules de CeO2

dans de l’eau. La conductivité du liquide augmente avec la concentration de nanoparticules. Nous observons sur la figure 2.27 une augmentation de la conductivité thermique du fluide de 6.3% pour une concentration massique de SiO2 de 10%. (1,37% en volume) Ce résultat ne met pas en valeur un effet particulier dû à la taille nanométrique des particules.

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Figure 2.28 : Conductivité thermique obtenu sur une dispersion de nanoparticules de CeO2

dans de l’eau. La conductivité du liquide augmente avec la concentration de nanoparticules. Nous observons sur la figure 2.28 une augmentation de la conductivité thermique du fluide de 5.7% pour une concentration massique de TiO2 de 10%. (2.46% en volume) Ce résultat ne met pas en valeur un effet particulier dû à la taille nanométrique des particules.

L’augmentation de conductivité thermique observée pour tous les nanofluides présentés ci-dessus est faible et conforme aux théories classiques. [Keblinski 2005] Ces augmentations sont de l’ordre de celles que nous aurions pu obtenir avec des suspensions de microparticules.

2.3.3 Discussions

Les augmentations de conductivités thermiques obtenues sur les nanofluides à base de nanotubes de carbone sont en accord avec celles décrites dans la publication sur laquelle nous avons basé notre préparation. Néanmoins, afin de vérifier les caractéristiques de nos dispersions à base de nanotubes de carbone, nous avons centrifugé nos échantillons à 2000tr/min. Après 2 minutes de centrifugation, les nanotubes de carbone avait floculé au fond du tube, montrant ainsi la présence d’agglomérats micrométriques dans nos solutions. La présence potentielle d’agglomérats de nanotubes ne nous permet pas d’exploiter de manière rigoureuse nos résultats. Une meilleure préparation physico chimique de ces nanofluides à base de nanotubes serait nécessaire pour pouvoir tirer des conclusions pertinentes à partir des résultats présentés ici.

Les augmentations de conductivité thermique que nous avons obtenues lors des études sur les nanofluides à base de nanoparticules sphériques sont inférieures à celles attendues. Nous avons donc effectué une caractérisation à la DLS pour connaître la taille de nos particules en suspension. La DLS (Dynamic Light Scaterring : diffusion dynamique de la lumière) permet de mesurer la taille des particules dans un liquide. Cette méthode utilise la vitesse de diffusion des particules dans le liquide pour déterminer leur taille. Nous avons utilisé cette méthode pour caractériser nos nanofluides (Table 2.2). Pour pouvoir effectuer une DLS pertinente, nos échantillons ont été préalablement dilués 100 fois dans une solution de NaCl 1mM. Après un traitement ultrasons d’une durée de deux heures, nos échantillons ont été filtrés de manière à retenir toutes les particules d’un rayon supérieur à 250 nm. Cette

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filtration permet d’empêcher les grosses particules éventuellement présentes dans la solution (poussières, agglomérats de particules) de perturber nos mesures.

Matériaux Taille des

nanoparticules annoncées (nm) Résultats des caractérisations (nm) Al2O3 CeO2 SiO2 TiO2 < 20 < 25 < 15 < 50 93 47 87 > 250

Table 2.2 : Tableau récapitulatif des caractéristiques de nos nanofluides mesurées par DLS. Le nanofluide à base de TiO2 a perdu sa coloration lors de la filtration. Ce phénomène résulte d’une agglomération massive des nanoparticules ; nous pouvons donc considérer ce nanofluide comme non utilisable. Tous les autres nanofluides contenaient une majorité de particules avec un rayon inférieur à 100 nm mais très supérieur au rayon indiqué par le fabricant. Ce résultat est probablement dû à une agglomération des nanoparticules entre la date de fabrication et l’expérimentation.

Ces résultats montrent que les nanofluides n’avaient pas les caractéristiques indiquées, ce qui peut expliquer les faibles augmentations de conductivité thermique obtenues. La taille des agglomérats de nanoparticules peut expliquer le comportement conforme aux théories classiques.

2.3.4 Conclusions sur les nanofluides

Les résultats que nous avons obtenus au cours de cette étude sur les nanofluides à base de particules sphériques ne mettent pas en évidence d’effet particulier d’augmentation de conductivité thermique sur les nanofluides à base de nanoparticules sphériques. L’agglomération de nos particules ne nous permet pas d’étudier de manière rigoureuse l’influence de la taille de ces dernières sur l’augmentation de conductivité thermique du fluide. Un meilleur contrôle des propriétés physico chimiques de ces fluides serait nécessaire pour pouvoir les étudier correctement et ainsi comprendre leur fonctionnement. Les résultats obtenus sur les nanofluides à base de nanotubes de carbone montrent des augmentations de conductivité thermique de 23% pour des concentrations en masse de 1%. Ces résultats ne sont néanmoins pas exploitables, compte tenu de l’incertitude sur l’état d’agglomération des nanotubes.