CN101225233A - 一种乙基硅油基磁性液体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种乙基硅油基磁性液体的制备方法，其目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种磁性能强、分散稳定的乙基硅油基磁性液体及其制备方法。本发明的乙基硅油基磁性液体，其磁性颗粒粒度分布较均匀，不团聚，平均粒径约8－9nm，具有乙基硅油的一系列特殊性能，耐低温，－12℃下静置超过1个月无沉淀物析出且保持流动性，采用振动样品磁强计测定饱和磁化强度，其饱和磁化强度可达20.0emu/g。本发明的制备方法简单，对设备要求较低。

Description

一种乙基硅油基磁性液体及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米粉体的表面改性及其分散技术，具体涉及一种乙基硅油基Fe₃O₄磁性液体及其制备方法。

背景技术

所谓磁性液体，是把用表面活性剂处理过的纳米级超细磁性微粒高度分散于基液中形成的一种均匀稳定的胶体溶液，因而同时兼有磁性和流动性，它具有特殊的物理特性、化学特性及流体特性，主要由纳米磁性颗粒、表面改性剂和载液三部分组成。其工艺技术可由以下几点来加以描述：

一、纳米磁性颗粒的选择与制备：

常用的磁性材料分为三大类，铁氧体系、金属系和氮化铁系。其中，纳米Fe₃O₄磁性颗粒具有制备简单、无毒等特点，因此被广泛采用于不同种类磁性液体的制备当中。纳米磁性颗粒的制备方法主要有机械研磨法、热分解法、火花电蚀法、还原法、化学共沉淀法等，其中化学共沉淀法是目前比较经济而有效的方法。

二、载液的选择：

根据载液的不同，磁性液体主要分为油基和水基两大类，制备一种磁性液体，首先应根据其用途及工作环境选择其中一类载液。水基磁性液体广泛应用于生物、医学领域，包括磁热疗、磁靶向、磁缓释等。油基磁性液体磁性能强、粘度大、热稳定性能好，适用于高强度下的机械密封、机械润滑等。

三、表面活性剂的选择：

基于不同的载液，需要选择相应的水溶性的或油溶性的表面改性剂。目前常用的油溶性表面活性剂有油酸、月桂酸和十二烷基苯磺酸等。现有的油基磁性液体存在的不足是磁性能差、耐氧化性差、稳定性不好等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种磁性能强、分散稳定的乙基硅油基磁性液体。

本发明的另一个目的是提供上述乙基硅油基磁性液体的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种乙基硅油基磁性液体，包括纳米磁性颗粒、表面活性剂和载液。

上述的纳米磁性颗粒是纳米Fe₃O₄磁性颗粒，平均粒径约8-9nm。

上述的表面活性剂为脂肪酸、由脂肪酸酰化的氨基酸或其钠盐，如月桂酰肌氨酸、油酰肌氨酸、月桂酰甘氨酸、油酸或其钠盐，可视需要单独或混合使用。与最常用的油溶性表面活性剂油酸相比，月桂酰肌氨酸以及油酰肌氨酸克服了油酸容易被氧化的缺点，且与乙基硅油有较好的相容性，利用月桂酰肌氨酸和油酰肌氨酸作为表面活性剂制备的油基磁性液体耐氧化且稳定性较好。

上述的载液是乙基硅油、乙基硅油与基础油类(如矿物油、聚α烯烃PAO合成油、酯类合成油、凡士林等)的混合油。

本发明采用“合成改性一步法”来制备乙基硅油基磁性液体，即先用化学共沉淀法，在合成纳米Fe₃O₄磁性颗粒的同时加入表面活性剂改性，之后对改性后的纳米Fe₃O₄磁性颗粒进行干燥处理，最后分散于载液中。

制备纳米Fe₃O₄磁性颗粒的离子反应方程式为：

Fe²⁺+2Fe³⁺+8OH^-＝Fe₃O₄+4H₂O

本发明的乙基硅油基磁性液体的具体制备方案如下所示：

(1)将Fe²⁺、Fe³⁺、OH^-溶液混合反应，Fe²⁺、Fe³⁺、OH^-的摩尔比为1∶(1.5～2)∶(8～16)，搅拌，反应温度为40～90℃，反应1～30分钟后加入表面活性剂，继续反应10～60分钟，即可得到表面活性剂改性的纳米Fe₃O₄磁性颗粒；

(2)将上述改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒经洗涤，干燥处理后，加入载液中并进行分散，加热保持温度50～90℃，充分搅拌，分离出大颗粒沉淀，得到乙基硅油基磁性液体。

上述步骤(1)中，Fe₃O₄与表面活性剂的摩尔比为(1∶0.15)～(1∶0.40)；搅拌速度控制在300～700r/min。

上述步骤(2)中，搅拌速度控制在200～600r/min。

上述步骤(2)中，改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒的洗涤是先用蒸馏水清洗再用丙酮溶液或乙醇溶液清洗至洗液的电导率σ≤30μs/cm为止。

上述步骤(2)中，改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒的干燥处理是置于氮气保护的干燥箱中进行干燥处理或置于真空干燥箱中抽真空干燥处理，温度范围50～100℃；或在空气中加热烘干，温度范围50～95℃，但所得干燥改性磁性颗粒会被轻微氧化。

上述步骤(2)中，分散方法为加热分散、超声波分散；分离方法为离心分离、磁选分离。

乙基硅油，作为本发明的乙基硅油基磁性液体的载液，其性质与二甲基硅油类似，具有优良的热稳定性和抗氧化性，且比一般矿物油更耐低温(-70～+150℃)，在常温下呈化学惰性，具有非常小的蒸汽压、较高的闪点和燃点。此外，与二甲基硅油相比，乙基硅油具有一系列独特的性能。例如，乙基硅油能与任何比例的矿物油(机油、凡士林等)相混合制成复合润滑油，进一步改进其润滑性能。乙基硅油的抗压缩性大，素有液体弹簧之称，可用于各种仪器、仪表、机械设备的防震和减震，效果大大超过各种金属弹簧。乙基硅油的电绝缘性能好，介电常数对频率的依附性极小，介质损耗极低，体积电阻系数较高，因而可用于恶劣环境下工作的电器、电子设备，是一种优良的介电材料。乙基硅油具有以上多种卓越的特性，故以其作为载液的乙基硅油磁性液体在许多领域具有巨大的应用潜力。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1.本发明的乙基硅油基磁性液体，其磁性颗粒粒度分布较均匀，不团聚，平均粒径约8～9nm，具有乙基硅油的一系列特殊性能，耐低温，-12℃下静置超过1个月无沉淀物析出且保持流动性，而大多数以矿物油为载液的磁性液体早已呈冻胶状；2.本发明的乙基硅油基磁性液体，采用振动样品磁强计测定饱和磁化强度，其饱和磁化强度可达20.0emu/g；3.本发明的乙基硅油基磁性液体的制备方法简单，对设备要求较低。

附图说明

图1为表面活性剂在纳米Fe₃O₄颗粒表面的吸附结构示意图；

图2为磁性液体的磁滞回线图；

图3为磁性液体的透射电镜图；

其中，1为磁性颗粒，2为表面活性剂，3为乙基硅油。

具体实施方式

实施例1  制备乙基硅油基磁性液体

(1)配制100mL Fe²⁺、Fe³⁺混合溶液于250mL三口瓶中，Fe²⁺、Fe³⁺摩尔比为1∶1.5，搅拌下加入约40mL浓氨水，反应温度为80℃，搅拌速度400r/min。反应1分钟后加入50mL 0.6g/mL油酸钠的水溶液，继续反应30分钟，即可得到油酸改性的纳米Fe₃O₄磁性颗粒，表面活性剂在纳米Fe₃O₄颗粒表面的吸附结构如图1所示；

(2)将步骤(1)反应得到的改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒用蒸馏水反复清洗至洗液的电导率σ≤30μs/cm为止，经洗涤得到的湿态改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒用乙醇溶液清洗并通过磁选分离上层清液后，置于氮气保护的干燥箱中进行干燥处理，温度80℃，干燥2小时后，加入乙基硅油中并进行分散，加热保持温度80℃，充分搅拌，搅拌速度控制在400r/min。将悬浮液超声波处理30min，然后置于磁选器上20min，分离出大颗粒沉淀，取上层液体得到乙基硅油基磁性液体。

乙基硅油基磁性液体的磁滞回线图如图2所示，测得饱和磁化强度为3.5355emu/g，黏度为42.0cp(23℃)，乙基硅油基磁性液体的透镜电镜图如图3所示。该产品在室温下已稳定放置10个月，置于-12℃低温中存放超过5周无沉淀物析出。

实施例2  制备乙基硅油基磁性液体

(1)配制100mL Fe²⁺、Fe³⁺混合溶液于250mL三口瓶中，Fe²⁺、Fe³⁺摩尔比为1∶1.5，搅拌下加入约40mL浓氨水，反应温度为80℃，搅拌速度400r/min。反应1分钟后加入50mL 0.6g/mL油酸钠的水溶液，继续反应30分钟，即可得到油酸改性的纳米Fe₃O₄磁性颗粒；

(2)将步骤(1)反应得到的改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒用蒸馏水反复清洗至洗液的电导率σ≤30μs/cm为止，经洗涤得到的湿态改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒用丙酮溶液清洗并通过磁选分离上层清液后，置于氮气保护的干燥箱中进行干燥处理，温度80℃，干燥2小时后，加入乙基硅油∶癸二酸二辛酯＝2∶1(体积比)的复合调和油中并进行分散，加热保持温度80℃，充分搅拌，搅拌速度控制在400r/min。将悬浮液超声波处理30min，然后置于磁选器上20min，分离出大颗粒沉淀，取上层液体得到复合型乙基硅油基磁性液体。

测得饱和磁化强度2.0633emu/g，黏度为19.8cp(23℃)。将该产品置于-12℃低温中存放超过5周无沉淀物析出。

实施例3  制备乙基硅油基磁性液体

(1)配制50mL Fe²⁺、Fe³⁺混合溶液于500mL烧杯中，Fe²⁺、Fe³⁺摩尔比为1∶1.5，搅拌下加入约20mL浓氨水，反应温度为80℃，搅拌速度350r/min。反应5分钟后加入10mL含0.71g油酰肌氨酸的乙醇溶液，继续反应35分钟，即可得到油酰肌氨酸改性的纳米Fe₃O₄磁性颗粒；

(2)将步骤(1)反应得到的改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒用蒸馏水反复清洗至洗液的电导率σ≤30μs/cm为止，经洗涤得到的湿态改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒用乙醇溶液清洗并通过磁选分离上层清液后，置于氮气保护的干燥箱中进行干燥处理，温度80℃，干燥2小时后，加入15ml乙基硅油中并进行分散，加热保持温度80℃，充分搅拌后，将悬浮液超声波处理30min，然后装入离心管中，在6000r/min下高速离心30min，取上层液体得到乙基硅油基磁性液体。

测得饱和磁化强度20.0emu/g，黏度约为30cp(22℃)。

实施例4  制备乙基硅油基磁性液体

(1)配制25mL Fe²⁺、Fe³⁺混合溶液于500mL烧杯中，Fe²⁺、Fe³⁺摩尔比为1∶1.5，搅拌下加入约10mL浓氨水，反应温度为80℃，搅拌速度400r/min。反应5分钟后加入10mL含0.45g月桂酰肌氨酸和0.29g油酰肌氨酸的乙醇溶液，继续反应25分钟，即可得到两表面活性剂复合改性的纳米Fe₃O₄磁性颗粒；

(2)将步骤(1)反应得到的改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒用蒸馏水反复清洗至洗液的电导率σ≤30μs/cm为止，经洗涤得到的湿态改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒用丙酮溶液清洗并通过磁选分离上层清液后，在空气中加热烘干，温度为80℃，将干燥的改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒加入10ml乙基硅油中并进行分散，加热保持温度80℃，充分搅拌后，将悬浮液超声波处理30min，然后装入离心管中，在6000r/min下高速离心30min，取上层液体得到乙基硅油基磁性液体。

测得饱和磁化强度7.39emu/g，黏度约为24cp(22℃)。

Claims (10)

1.一种乙基硅油基磁性液体，包括纳米磁性颗粒、表面活性剂和载液，其特征是所述的纳米磁性颗粒是纳米Fe₃O₄磁性颗粒；所述的表面活性剂为脂肪酸、由脂肪酸酰化的氨基酸或其钠盐；所述的载液是乙基硅油、乙基硅油与基础油类的混合油。

2.根据权利要求1所述的乙基硅油基磁性液体，其特征是所述的表面活性剂是月桂酰肌氨酸、油酰肌氨酸、月桂酰甘氨酸、油酸或其钠盐。

3.根据权利要求1所述的乙基硅油基磁性液体，其特征是所述的基础油类是矿物油、聚α烯烃合成油、酯类合成油或凡士林。

4.一种制备权利要求1所述的乙基硅油基磁性液体的方法，其特征是采用化学共沉淀法制备表面活性剂改性的纳米磁性颗粒，再干燥处理并分散于载液中。

5.根据权利要求4所述的制备乙基硅油基磁性液体的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将Fe²⁺、Fe³⁺、OH^-溶液混合反应，Fe²⁺、Fe³⁺、OH^-的摩尔比为1∶1.5～2∶8～16，搅拌，反应温度为40～90℃，反应1～30分钟后加入表面活性剂，继续反应10～60分钟，即可得到表面活性剂改性的纳米Fe₃O₄磁性颗粒；

(2)将上述改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒经洗涤，干燥处理后，加入载液中并进行分散，加热保持温度50～90℃，充分搅拌，分离出大颗粒沉淀，得到乙基硅油基磁性液体。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是步骤(1)中，Fe₃O₄与表面活性剂的摩尔比为1∶0.15～1∶0.40。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是步骤(1)中，搅拌速度为300～700r/min；步骤(2)中，搅拌速度为200～600r/min。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是步骤(2)中，改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒的洗涤是先用蒸馏水清洗再用丙酮溶液或乙醇溶液清洗，至洗液的电导率σ≤30μs/cm为止。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是步骤(2)中，改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒的干燥处理是置于氮气保护的干燥箱中进行干燥处理或置于真空干燥箱中抽真空干燥处理，温度范围50～100℃；或在空气中加热烘干，温度范围50～95℃。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中，分散方法为加热分散或超声波分散；分离方法为离心分离或磁选分离。

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