CN101148270A - 锌铁氧体磁性凝胶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种锌铁氧体磁性凝胶的制备方法，其步骤包括：通过共沉淀法制备ZnFe₂O₄纳米颗粒作为分散相，并配制适当浓度的HNO₃水溶液作为分散介质。分散介质的HNO₃浓度由式(1)确定；然后按一定比例，将作为分散相的ZnFe₂O₄纳米颗粒与作为分散介质的HNO₃水溶液充分搅拌混合，摇动，然后静置，以产生胶溶--胶凝过程，形成磁性凝胶。本方法是在磁性液体(磁性溶胶)中，通过电解质形成凝胶，其特点是促使磁性液体形成磁性凝胶的胶凝反应的电解质不是另外加入的化学物质，而是构成磁性液体溶胶所固有成分，即ZnFe₂O₄纳米颗粒，是具有磁性的半固态材料，获得的凝胶可在(半)固态-液态之间即凝胶-溶胶之间可逆变化，并保持磁性不变。

Description

锌铁氧体磁性凝胶的制备方法

技术领域

本发明为一种具有磁性的凝胶制备方法，属于材料技术领域。

背景技术

一定条件下，溶胶或大分子化合物的真溶液在放置过程中会自动地“冻”起来，形成凝胶——失去流动性、呈固体状。这种在放置过程中自动形成凝胶的过程称之为胶凝。亲水性较大的溶胶中加入适当的电解质可形成凝胶。

凝胶由固(分散相)——液(分散介质)两相组成，与溶胶的构成相似，同属胶体分散体系。与溶胶不同的是，凝胶中不但分散介质(如水)是连续相，而且分散相(如微粒)构造的网络也是连续相。凝胶兼有固体和液体的某些性质，如无流动性(固体特性)，水凝胶中离子扩散速度接近于在水溶液中扩散速度。在机械作用下(摇动或静置)可发生凝胶——溶胶的可逆变化。

磁性纳米微粒可通过一定的克服沉降的方法使其稳定地分散于基液中形成具有磁性和液体流动性的溶胶，常称为磁性液体、磁流体或磁性胶体。根据凝胶的形成机理，在水性基液的磁性液体中，若能兼容恰当的电解质使之产生胶凝过程，并且不产生微粒沉降，则可能形成磁性凝胶，简称磁凝胶。

现有的磁性凝胶是在非磁性的有机凝胶中掺入磁性微粒，不是严格意义上的磁性凝胶，而是凝胶(非磁性的)与磁性物质的合成物，其制备过程较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种锌铁氧体磁性凝胶的制备方法，以在磁性液体(磁性溶胶)中，通过电解质形成凝胶。

本发明的技术方案如下：

锌铁氧体磁性凝胶的制备方法，其步骤如下：

第一步分散相的制备

在碱性介质中，通过共沉淀法制备ZnFe₂O₄纳米颗粒，通过多次清洗至清洗液pH值为7～8左右，然后用丙酮脱水，在干燥皿中静置。作为分散相的磁性微粒应选取平均粒径小于10nm的ZnFe₂O₄纳米微粒。

第二步分散介质的制备

配制适当浓度的HNO₃水溶液作为分散介质。分散介质的HNO₃浓度由下式确定：

$C=\frac{3\×{10}^3{\mathrm{\ρ}}_s}{Z_b{M}_{\mathrm{ws}}}\·\frac{{\mathrm{\Φ}}_V}{1-{\mathrm{\Φ}}_V}\·Q(\mathrm{mol}/L)---\left(1\right)$

式中z_b是分散介质中酸根离子的化合价，ρ_s为分散相的密度(以g/cm³为单位)，M_ws为分散相的分子量。Q值为0.2-0.5。

第三步合成

按一定比例，将作为分散相的ZnFe₂O₄纳米颗粒与作为分散介质的HNO₃水溶液充分搅拌混合，然后摇动，静置，以产生胶溶——胶凝过程，形成磁性凝胶。

其中，分散相与分散介质的比例必须合适，这由分散相的体积分数Φ_V表示：

Φ_V应为1.5％-2.5％。

合成的原理为：

ZnFe₂O₄在HNO₃溶液中产生形成电解质和水的反应：

ZnFe₂O₄+8HNO₃＝Zn(NO₃)₂+2Fe(NO₃)₃+4H₂O    (3)

从(3)式可知，如果HNO₃和ZnFe₂O₄的摩尔比小于8∶1，则锌铁氧体(ZnFe₂O₄)只部分溶解——仅仅发生ZnFe₂O₄颗粒表面溶解——产生Zn(NO₃)₂和Fe(NO₃)₃电解质，未溶解部分仍以颗粒形式存在(尺寸减小)，于是形成了ZnFe₂O₄颗粒与电解质构成的体系。在恰当的合成条件下，此体系呈现一般凝胶所具有的能在溶胶——凝胶之间产生可逆变化的性质。

本方法是在磁性液体(磁性溶胶)中，通过电解质形成凝胶，其特点是促使磁性液体形成磁性凝胶的胶凝反应的电解质不是另外加入的化学物质，而是构成磁性液体溶胶所固有成分，即ZnFe₂O₄纳米颗粒，是具有磁性的半固态材料，获得的凝胶可在(半)固态——液态之间即凝胶——溶胶之间可逆变化，并保持磁性不变。

附图说明

图1是由实施例1获得的ZnFe₂O₄凝胶的磁化曲线。

具体实施方式

实施例1：

第一步分散相——ZnFe₂O₄纳米微粒的制备

以FeCl₃和ZnCl₂为原料，按Fe与Zn的摩尔比为2∶1的比例选取两者的水溶液进行混合(在ZnCl₂的溶液中加入少量的HCl)。将FeCl₃和ZnCl₂的混合溶液倒入NaOH水溶液中，然后加热至沸腾。沸腾5分钟后让其在室温自然冷却，逐渐有棕黄色的ZnFe₂O₄纳米微粒析出。用蒸馏水将ZnFe₂O₄微粒沉淀清洗至pH＝7～8。经5倍与ZnFe₂O₄沉淀体积的丙酮脱水三次，然后静置于干燥器中24小时。选取平均粒径小于10nm的ZnFe₂O₄纳米微粒备用。

第二步分散介质——基液的配制

根据(1)式，取Q＝0.35，Φ_V＝2％，确定HNO₃水溶液的浓度C为0.44mol/L。

第三步凝胶的合成

根据(2)式，由Φ_V＝2％可确定ZnFe₂O₄颗粒与基液的体积比例为0.02。由此根据ZnFe₂O₄与基液密度，称取一定质量ZnFe₂O₄颗粒和基液。在搅拌状态下将ZnFe₂O₄颗粒与基液混合，然后摇动三十分钟，静置24小时后，可得到ZnFe₂O₄凝胶。

实施例2：

第一步分散相——ZnFe₂O₄纳米微粒的制备

与实施例1第一步相同，略

第二步分散介质——基液的配制

根据(1)式，取Q＝0.25，Φ_V＝2％，确定HNO₃水溶液的浓度为0.30mol/L。

第三步凝胶的合成

与实施例1第一步相同，略

实施例3：

第一步分散相——ZnFe₂O₄纳米微粒的制备

与实施例1第一步相同，略

第二步分散介质——基液的配制

根据(1)式，取Q＝0.35，Φ_V＝1.5％，确定HNO₃水溶液的浓度为0.32mol/L。

第三步凝胶的合成

根据(2)式，由Φ_V＝1.5％可确定ZnFe₂O₄颗粒与基液的体积比例为0.015。由此根据ZnFe₂O₄与基液密度，称取一定质量ZnFe₂O₄颗粒和基液。在搅拌状态下将ZnFe₂O₄颗粒与基液混合，然后摇动三十分钟。静置24小时后，可得到ZnFe₂O₄凝胶。

对所得ZnFe₂O₄凝胶的磁性测量：

用HH-15振动样品磁强计进行磁化强度的测量，得到比磁化强度σ与磁场H关系的磁化曲线，如图1所示。从图中可知，比磁化强度σ与磁场H呈线性关系，表明本方法制备的ZnFe₂O₄凝胶具有顺磁性。

Claims (3)

1.锌铁氧体磁性凝胶的制备方法，包括下步骤：

第一步制备ZnFe₂O₄纳米颗粒作为分散相；

第二步配制HNO₃水溶液作为分散介质；

HNO₃浓度由下式确定：

$C=\frac{3\×{10}^3{\mathrm{\ρ}}_s}{Z_b{M}_{\mathrm{ws}}}\·\frac{{\mathrm{\Φ}}_V}{1-{\mathrm{\Φ}}_V}\·Q(\mathrm{mol}/L)---\left(1\right)$

式中Z_b是分散介质中酸根离子的化合价，ρ_s为分散相的密度，以g/cm³为单位，M_ws为分散相的分子量，Q值为0.2-0.5；

第三步合成：在搅动状态下，将作为分散相的ZnFe₂O₄纳米颗粒与作为分散介质的HNO₃水溶液充分混合，摇动，然后静置，使之充分胶溶和凝胶化，形成磁性凝胶；其中：分散相与分散介质的比例由分散相的体积分数Φ_V表示：

Φ_V为1.5％-2.5％。

2.根据权利要求1所述的锌铁氧体磁性凝胶的制备方法，其特征在于：所述ZnFe₂O₄纳米颗粒分散相的制备是在碱性介质中，通过共沉淀法制备ZnFe₂O₄纳米颗粒，并清洗至清洗液pH值为7～8，再用丙酮脱水，在干燥皿中静置。

3.根据权利要求1或2所述的锌铁氧体磁性凝胶的制备方法，其特征在于：所述ZnFe₂O₄纳米颗粒的平均粒径小于10nm。

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