鐵磁流體的制備及穩定性研究

文章來源:[db:出處] 時間:2010-11-16 00:00:00

鐵磁流體的制備及穩定性研究
        鐵磁流體(簡稱磁流體)主要由粒徑小于15nm超順磁性磁粉、載液及表面活性劑3部分組成,這種膠狀液體既有固體磁性材料的強磁性,又有液體的流動性。由于具有交叉特性,所以這種液體磁性材料應滿足的性能要求是:高的飽和磁化強度,在使用溫度下有長期的穩定性,在重力和電磁力的作用下不沉淀,有好的流動性。
    磁流體在現代技術中得到越來越廣泛的應用。如立體聲音箱,磁密封,軸承和潤滑,磁場傳感器,磁光轉換器,光纖連接,磁致冷,磁流體發電等[1,2]。近年來,磁流體在醫學上的應用日益受到人們關注,被稱為“生物導彈”,在外磁場作用下,磁流體作為藥物的載體可以在人體內靶向給藥,對治療腫瘤效果顯著。另外也用于X-射線或NMR診斷中的不透光材料[3]
    在諸多磁流體的制備中,共沉淀法是制超微磁粒子的一種用得較多且十分有效的方法,已有不少人對此進行過研究[4]。在他人工作基礎上,我們采用改性共沉淀法制備出了平均粒徑為11nm的Fe3O4磁粉,并對其進行了物相、粒度和形貌的表征。研究了單一表面活性劑和復配表面活性劑對磁流體穩定性的影響,研究了表面活性劑用量及磁粒子含量對磁液穩定性的影響,對Fe3O4微粒的防氧化與抗團聚也進行了研究。
實驗部分
1.1 試劑準備
按0.5mol/L3分別配制Fe2(NH4)2(SO4)2和FeNH4(SO4)2溶液,并按常規氧化還原滴定法標定其準確濃度。試驗中所用試劑均為分析純,水為去離子高純水。
1.1.1 按[Fe3+]:[Fe2+]=2:1摩爾比混合兩種鐵鹽溶液,攪拌下加入一定量油酸和油酸鈉混合液并將混合液升溫至55°C。
1.1.2 配制6mol/dm3 NaOH溶液,攪拌下加入一定量油酸鈉和烷基陰離子表面活性劑并將混合液升溫至55°C。
1.2 Fe3O4納米磁粉的制備 取100mL. 1.1.1混合液倒入100mL 1.1.2混合液中,攪拌均勻并將pH值調到9~10。反應時間約0.5h。將反應液冷至室溫,用稀HCl調pH至5~6,減壓抽濾,用含表面活性劑的乙醇液洗滌,70°C真空(0.085MPa)烘干得烏黑發亮的樣品待用。
1.3 磁流體的制備 在容器中加入水或油作為載液,加入一定量的NNO分散劑(亞甲基萘磺酸鈉),按一定量固液百分比在400r/min攪拌速度下投入制備的樣品粉末,得到均勻液體。液體經離心機(4000r/min)分離處理后取其上層液體即得到穩定磁液。
1.4 樣品測試 固體樣品物相采用X-射線衍射儀分析(D/max-rA, CuKα, 40KV. 150mA, l=0.1504nm)采用FT紅外譜儀測IR譜(PE 16pc, 分辨率2cm-1 KBr壓片),采用透射電子顯微鏡分析粒度和形貌(TEM-100CX型)。磁液穩定性是通過測懸浮率進行評價的。
2 結果和討論
2.1 磁粒物相分析
    由樣品的XRD譜圖知各衍射峰位置和強度均與標準粉末衍射數據卡(ASTM 19-629)符合得很好,說明產物為Fe3O4立方單相粉末。由各衍射線的密勒指數和相應的衍射角度計算出平均晶胞常數a為0.8350nm。
    固體樣品的IR譜圖中兩強吸收峰分別為586cm-1和434cm-1,應歸屬為位于氧密堆構成的八面體間隙和四面體間隙中Fe-O伸縮振動峰和彎曲振動峰。與文獻報導的Fe3O4塊狀樣品的IR譜相比,兩峰位稍向高頻數移動,說明所制磁粉粒度很細。
2.2 磁粉的粒度分析
    由XRD譜圖可以看出樣品的各衍射峰形均寬化,測試各衍射峰半高寬β值(以弧度表示)和各衍射峰對應的衍射角q,代入Scherrer公式,計算出平均粒徑約為8.5nm。圖1為樣品的TEM 照片(放大10萬倍),由圖1可知樣品粒子外形基本為球形,顆粒較均勻,粒度分布較窄。由TEM測出其平均粒徑約為11nm。
   
1 樣品的TEM照片(放大10萬倍)
        在磁粉的制備中,我們采取了與一般共沉淀法不同的操作,一是先將表面活性劑加入Fe2+和Fe3+的混合溶液中,鐵離子吸附表面活性劑而被包覆。另一個不同的操作是將金屬離子混合液倒入堿液中,一般操作是將堿液滴加入金屬離子溶液中。這樣操作使瞬間金屬離子周圍堿液的局部濃度很大,形成大量產物核,這些核的表面被二次包覆,在表面活性劑的保護下,核的生長和顆粒的聚集受限,因而生成了納米級均勻的磁粉。
2.3 磁粉氧化性
    Fe3O4中Fe2+很容易被氧化而產生弱磁性或非磁性的鐵氧化物,這將降低樣品的磁性能.為防止氧化應注意3點:一是制備磁粉時混合液的溫度應適當(50~60°C),溫度太高使微粒長大,這對制備穩定的磁液不利;溫度太低易生成非磁性鐵化合物。另一點應注意的的是濕磁粉應真空干燥。我們曾將常壓烘干的樣品進行XRD測試.結果發現有Fe2O3雜相出現。烏黑發亮的樣品變成棕色。還有一點應值得提到的是,表面活性劑對粒子的抗氧化起到了明顯的作用。我們將有無表面活性劑包覆的磁粉于50°C常壓烘干約1h后測XRD譜圖,發現后者中Fe2O3雜相較前者多。
2.4 磁液穩定性
    分別按重量百分比5%,10%和15% 配成穩定的磁液,常溫下放置2月不分層,十分穩定.經較長時間離心處理后有不同程度的固體沉降,吸走上層清液余下沉降物經洗滌,酸溶樣后按常規化學方法測定總鐵量。由磁液中的總鐵量與沉降物的總鐵量之差與磁液中總鐵量的百分比即為懸浮率.結果如圖2所示。由圖2可知,磁液隨表面活性劑用量的增加其離心懸浮率也逐漸增加。即磁液穩定性增加。當其用量達到一定值時,磁液穩定性增加緩慢,適當的表面活性劑用量為3.5 % ~5.0 % 。
 2.5 磁粉抗團聚
    磁粉粒度極小,表面能大,加之溶液中氫氧根等離子的作用,極易產生團聚,這對進一步制備磁液是不利的。在我們的實驗中,固液分離時采用含表面活性劑的醇溶液洗滌固體,這對防止磁粒團聚有明顯的作用。
3 結論
3.1 采用改性共沉淀法可制備粒度均勻,粒徑為11nm的單相Fe3O4納米磁粉;
3.2 在表面活性劑存在下可制得均勻的磁流體,經離心處理后得到更加穩定的磁液;
3.3 磁液穩定性隨磁粒子含量的增大而減弱;
3.4 表面活性劑用量對磁液穩定性產生影響,對5%~15%磁液較合適的表面活性劑用量為3.5%~5.0%。
3.5 在含油酸鈉,油酸及烷基陰離子表面活性劑的磁液中加入少量NNO分散劑能使磁液穩定性進一步提高。
3.6 為防止Fe3O4被氧化,反應液內應含表面活性劑且溫度最好控制在50~60°C,濕磁粉最好采用真空干燥。
  
        2 磁粒固含量及表面活性劑對磁液穩定性的影響
        □ 5%    ▲ 10%   · 15%    × 15%(NNO)
4 參考文獻
[1]《功能材料及其應用手冊》編寫組.《功能材料及應用手冊》.北京:機械工業出版社,1991:152-161.
[2] kitao Fujiwara et al. Magneto-optic fluorescence behavior of anthracene and its derivatives in a diluted magnetic fluid solution, Spactroscopy Letters, 1997, 30(6): 1135-1147.
[3] shafi, K.V.P.M.,et al, The use of ultrasound radiation for the preparation of magnetic fluids, Thin Solid Films, 1998, 318:38-41.
[4] 劉穎等.Fe3O4超細粉分散體系的制備,《功能材料》,1999,30(1):24-25.
 

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