The influence of nanoparticle concentration on the rheological behavior of mineral oil-based SiO2 nanofluids

Abstract

O termo nanofluidos refere-se às suspensões coloidais compostas por uma fase líquida e partículas em escala nanométrica. Devido às suas propriedades únicas, como alta estabilidade coloidal e pequeno tamanho de partícula, nanofluidos têm aplicações em diversas áreas. Em aplicações com fluidos dielétricos, por exemplo, são usados para melhorar o isolamento elétrico e o desempenho térmico. Embora estudos recentes explorem esses avanços, a maioria concentra-se na transferência de calor ou em propriedades termofísicas, negligenciando o comportamento reológico. Este trabalho investiga as propriedades reológicas de nanofluidos à base de óleo mineral contendo nanopartículas de SiO₂, em concentrações entre 0,10% e 0,20%, a 25 °C. Medições iniciais foram realizadas com um viscosímetro rotacional para compreensão preliminar do comportamento do fluido. Em seguida, análises mais detalhadas foram feitas com o reômetro Anton Paar MCR302e, de maior precisão. O objetivo central foi desenvolver e validar uma metodologia de baixo custo para caracterização reológica com um viscosímetro adaptado, permitindo medições confiáveis e reprodutíveis em laboratórios com recursos limitados. O estudo também buscou identificar a concentração na qual o nanofluido transita de comportamento newtoniano para não newtoniano. Os resultados mostraram que, a partir de 0,15%, o fluido apresenta comportamento pseudoplástico.

The term nanofluids refers to colloidal suspensions consisting of a liquid phase and particles at the nanometric scale. Due to their unique properties, including high colloidal stability and small particle size, nanofluids have applications across various fields. In applications involving dielectric fluids,for example, nanofluids are employed to enhance electrical insulation and thermal performance. Although recent studies explore how nanofluids enhance this field, most focus on heat transfer or thermophysical properties, leaving out the rheological behavior. This study investigates the rheological properties of mineral oil-based nanofluids containing SiO₂ nanoparticles, across concentrations ranging from 0.10% to 0.20% at a constant temperature of 25 °C. Initial measurements were conducted using a rotational viscometer to obtain a preliminary understanding of the fluid behavior. Subsequently, more detailed analyses were carried out using the Anton Paar MCR302e rheometer, which provides improved precision and control. A key objective was to develop and validate a low-cost methodology for rheological characterization using an adapted viscometer, enabling reliable and reproducible measurements in laboratories with limited resources. The study also aimed to identify the concentration at which the nanofluid transitions from Newtonian to non-Newtonian behavior. Results showed that, from 0.15% concentration onwards, the fluid exhibits shear-thinning behavior.