CN102290186A

CN102290186A - 一种高浓度磁性流体及其制备方法

Info

Publication number: CN102290186A
Application number: CN 201110114119
Authority: CN
Inventors: 邵慧萍; 季业; 郭志猛; 林涛; 杨栋华; 刘小婷
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-05-04
Also published as: CN102290186B

Abstract

本发明属于纳米科学技术及材料制备技术，涉及一种高浓度磁性流体的制备方法。用超声波辅助化学共沉淀法制备磁性纳米颗粒，将二价铁盐溶液和三价铁盐溶液混合均匀后，加入过量的碱性溶液反应，沉淀完全后得到Fe₃O₄纳米颗粒。将表面活性剂加入到Fe₃O₄溶液中进行表面改性，得到高浓度的磁性流体。表面修饰剂由硬脂酸、肉豆蔻酸、月桂酸及十二烷基苯磺酸钠按比例组成。本发明可制备浓度高达52%的磁性流体，其磁性纳米颗粒具有磁响应性高、形状呈球形、均一性好、粒径为3~30nm。经改性后所得的磁流体浓度高、磁性强、分散稳定性好，可广泛应用于密封、润滑、纺织、以及生物医药等领域。

Description

一种高浓度磁性流体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高浓度磁性流体及其制备方法，属于纳米科学技术及材料制备技术。

技术背景

磁性液体也称磁流体(Magnetic fluid)，是一种既具有液体的流动性又具有固体磁性材料磁性的新型功能材料。由于磁流体具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特殊性质，引起了各界学者极大的兴趣和广泛的关注，迅速发展起来，并在航空航天、生物医疗、化工、机械、电子等领域中得到了重要的应用。

磁流体由磁性微粒、表面活性剂及载液三者混合而成，磁流体中的磁性微粒通常为磁铁矿、稀土合金(如Co)、或其它铁氧体等固体微粒，粒径在几十纳米左右。为了防止磁性纳米微粒之间的凝聚作用，使其能均匀地分散在基液中，形成稳定的磁性流体，在制备的过程中加入了特定的表面活性剂或高分子类物质对纳米磁性微粒的表面进行修饰。

纳米磁性Fe₃O₄颗粒由于具有粒径小、灵敏度高、毒性低、磁响应性强、原料易得到等优点，被选为最佳的磁性材料。其制备方法包括机械研磨法、化学共沉淀法、水热法、微乳液法、溶胶-凝胶法等。其中化学共沉淀法最突出的优点是设备简单，制备时间短，是目前最普遍使用的方法。

本发明采用超声辅助化学共沉淀法制备磁性纳米颗粒，得到的Fe₃O₄颗粒磁响应性高、颗粒更加细小均匀。采用肉豆蔻酸、月桂酸及十二烷基苯磺酸钠按比例组成作为表面修饰剂，制得的磁流体具有浓度高、磁性强的特点，而且其分散性好、稳定性高、不沉降、不分层。高浓度的磁流体具有的饱和磁化强度高的优点，在使用过程中可适当降低外加磁场强度；并且在达到同样效果的条件下，使用量少于浓度低的磁流体，可以大大降低生产或产品的成本。此外，高浓度磁流体可用于密封、润滑、静力分选等工业领域，应用范围广泛。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高浓度磁流体及其制备方法。其特征在于，制备的磁性纳米颗粒具有磁响应性高、形状呈球形、颗粒分散均匀、粒径为3~30 nm。加入表面修饰剂改性后所得的磁流体浓度高、磁性强、稳定性好，广泛应用于航空航天、生物医药、化工、机械等领域。

一种高浓度磁性流体及其制备方法，其特征在于它是由磁性纳米颗粒、表面活性剂和载液组成，用超声波辅助化学共沉淀法制备磁性纳米颗粒，将二价铁盐溶液和三价铁盐溶液混合均匀后，加入过量的碱性溶液超声反应完全，沉淀后得到磁性纳米颗粒，再将定量的表面活性剂加入到磁性微粒溶液中进行表面改性，得到高浓度的磁性流体；经表面修饰过后的Fe₃O₄水基磁流体的浓度、磁性颗粒的质量百分比达到40~52 %；磁性纳米颗粒是Fe₃O₄颗粒、粒径范围在为3~30 nm、饱和磁化强度在50~80 A·m²·kg^-1之间，碱性溶液为氨水或氢氧化钠；表面活性剂由硬脂酸、肉豆蔻酸、月桂酸及十二烷基苯磺酸钠单体；载液为水。

本发明采用技术方案如下：

（1）原料准备

原料为FeCl₃·6H₂O、FeSO₄·7H₂O、NH₃·H₂O或NaOH、硬脂酸、肉豆蔻酸、月桂酸和十二烷基苯磺酸钠，所用原料皆为分析纯或化学纯。

（2）磁性Fe₃O₄纳米颗粒的制备

首先，配制浓度均为0.1~10 mol·L^-1的Fe²⁺和Fe³⁺的盐溶液及1~10 mol·L^-1的氨水或NaOH水溶液。其次，将Fe²⁺和Fe³⁺的盐溶液以1:1~1:3的比例超声混合均匀，在反应温度为20~90 ℃的情况下加入过量的氨水或NaOH水溶液，至反应溶液的pH=9~13，在超声乳化分散器中反应10~120 min，得到Fe₃O₄纳米颗粒。最后，对产物进行分离，用去离子水和无水乙醇多次洗涤至pH呈中性。

（3）高浓度Fe₃O₄磁流体的制备

将第二步制得的磁性Fe₃O₄纳米颗粒用表面修饰剂进行改性。在反应温度为50~95 ℃的条件下，将硬脂酸、肉豆蔻酸和月桂酸以摩尔比为1:1:1~1:8:10加入到Fe₃O₄水溶液中，超声反应0.5~3 h。反应结束后，对产物进行分离，用去离子水和无水乙醇多次洗涤，洗去过量的表面修饰剂及水，滴加氨水或NaOH溶液调节pH=9~13。再将十二烷基苯磺酸钠加入到包覆肉豆蔻酸和月桂酸的Fe₃O₄溶液中，超声反应1~2 h，自然冷却，得到表面修饰后的高浓度Fe₃O₄磁流体。十二烷基苯磺酸钠和Fe₃O₄磁性颗粒的摩尔比为1:1~1:10。

本发明有以下优点：

1．本发明的制备方法设备简单，流程简单易行，成本低廉。

2．本发明的磁流体磁性微粒由超声辅助化学共沉淀法制得，该方法制得的颗粒具有磁响应性高、形状呈球形、颗粒分散均匀、粒径分布窄的特点。

3．本发明制备的磁流体具有高浓度和高饱和磁化强度的特点，而且其分散性好、稳定性高，可保持长时间不沉降、不分层，广泛应用于密封、润滑、静力分选等领域。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，对本发明作进一步的阐述。以下所有实施例均按照上述发明内容所述的操作步骤操作。

实施例1：浓度为45 %的磁流体制备

首先，配制浓度均为0.1 mol·L^-1的Fe²⁺和Fe³⁺的盐溶液及浓度为2 mol·L^-1的NaOH溶液。其次，将Fe²⁺和Fe³⁺的盐溶液以体积比为1:1.8的比例混合，保持总体积为280 ml，超声20 min，在反应温度为60 ℃的情况下，加入过量的NaOH溶液至反应溶液的pH=10，在超声乳化分散器中反应60 min，得到Fe₃O₄纳米颗粒。最后，对产物进行分离，用去离子水和无水乙醇多次洗涤，洗去过量的氨水及盐溶液，至溶液pH呈中性。

将制得的磁性Fe₃O₄纳米颗粒用表面修饰剂进行改性。在反应温度为60 ℃的条件下，将硬脂酸0.5 g、肉豆蔻酸0.2 g、月桂酸0.5 g分别加入到Fe₃O₄水溶液中，超声反应1 h。反应结束后，对产物进行分离，用去离子水和无水乙醇多次洗涤，洗去过量的表面修饰剂及水，滴加氨水调节pH=9。再将十二烷基苯磺酸钠0.5 g加入到包覆硬脂酸、肉豆蔻酸和月桂酸的Fe₃O₄溶液中，超声反应1 h，自然冷却，得到表面修饰后的高浓度Fe₃O₄磁流体。经测定，磁流体浓度达到45 %，密度为1.21 g·cm^-3。

实施例2：浓度为52 %的磁流体制备

首先，配制浓度均为0.375 mol·L^-1的Fe²⁺和Fe³⁺的盐溶液及浓度为3 mol·L^-1的氨水。其次，将Fe²⁺和Fe³⁺的盐溶液以体积比为1:1.5的比例混合，保持总体积为300 ml，超声20 min，在反应温度为40 ℃的情况下，加入过量的氨水至反应溶液的pH=10，在超声乳化分散器中反应60 min，得到Fe₃O₄纳米颗粒。最后，对产物进行分离，用去离子水和无水乙醇多次洗涤，洗去过量的氨水及盐溶液，至溶液pH呈中性。

将制得的磁性Fe₃O₄纳米颗粒用表面修饰剂进行改性。在反应温度为80 ℃的条件下，将硬脂酸1.2 g、肉豆蔻酸0.8 g、月桂酸1.5 g分别加入到Fe₃O₄水溶液中，超声反应2 h。反应结束后，对产物进行分离，用去离子水和无水乙醇多次洗涤，洗去过量的表面修饰剂及水，滴加氨水调节pH=10。再将十二烷基苯磺酸钠2 g加入到包覆肉豆蔻酸和月桂酸的Fe₃O₄溶液中，超声反应1 h，自然冷却，得到表面修饰后的高浓度Fe₃O₄磁流体。经测定，磁流体浓度达到52 %，密度为1.34 g·cm^-3。

Claims

1.一种高浓度磁性流体及其制备方法，其特征在于它是由磁性纳米颗粒、表面活性剂和载液组成，用超声波辅助化学共沉淀法制备磁性纳米颗粒，将二价铁盐溶液和三价铁盐溶液混合均匀后，加入过量的碱性溶液超声反应完全，沉淀后得到磁性纳米颗粒，再将定量的表面活性剂加入到磁性微粒溶液中进行表面改性，得到高浓度的磁性流体；经表面修饰过后的Fe₃O₄水基磁流体的浓度、磁性颗粒的质量百分比达到40~52 %；磁性纳米颗粒是Fe₃O₄颗粒、粒径范围在为3~30 nm、饱和磁化强度在50~80 A·m²·kg^-1之间，碱性溶液为氨水或氢氧化钠；表面活性剂由硬脂酸、肉豆蔻酸、月桂酸及十二烷基苯磺酸钠单体；载液为水。

2.制备如权利要求1所述的高浓度磁流体的方法，其特征在于，由以下步骤制得：

（1）原料准备

原料为FeCl₃·6H₂O、FeSO₄·7H₂O、NH₃·H₂O或NaOH、硬脂酸、肉豆蔻酸、月桂酸和十二烷基苯磺酸钠，所用原料皆为分析纯或化学纯；

（2）磁性Fe₃O₄纳米颗粒的制备

首先，配制浓度均为0.1~10 mol·L^-1的Fe²⁺和Fe³⁺的盐溶液及1~10 mol·L^-1的氨水或NaOH水溶液；其次，将Fe²⁺和Fe³⁺的盐溶液以1:1~1:3的比例超声混合均匀，在反应温度为20~90 ℃的情况下加入过量的氨水或NaOH水溶液，至反应溶液的pH=9~13，在超声乳化分散器中反应10~120 min，得到Fe₃O₄纳米颗粒；

最后，对产物进行分离，用去离子水和无水乙醇多次洗涤至pH呈中性；

（3）高浓度Fe₃O₄磁流体的制备

将第二步制得的磁性Fe₃O₄纳米颗粒用表面修饰剂进行改性；在反应温度为50~95 ℃的条件下，将硬脂酸、肉豆蔻酸和月桂酸以摩尔比为1:1:1~1:8:10加入到Fe₃O₄水溶液中，超声反应0.5~3 h；反应结束后，对产物进行分离，用去离子水和无水乙醇多次洗涤，洗去过量的表面修饰剂及水，滴加氨水或NaOH溶液调节pH=9~13；再将十二烷基苯磺酸钠加入到包覆肉豆蔻酸和月桂酸的Fe₃O₄溶液中，超声反应1~2 h，自然冷却，得到表面修饰后的高浓度Fe₃O₄磁流体；十二烷基苯磺酸钠和Fe₃O₄磁性颗粒的摩尔比为1:1~1:10。