磁性Fe3O4納米粒子的雙層改性

劉春麗

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系，河南南陽 473009)

Fe3O4由于具有磁性且原料易得、價格低廉而被大量應(yīng)用于涂料和油墨等領(lǐng)域;而納米Fe3O4粒子在磁記錄材料、固定化酶、免疫診斷、靶向藥物、催化劑載體、磁性微球和生物探針等方面顯示出許多特殊功能。

Fe3O4通常采用共沉淀法來合成，但是Fe3O4容易被氧化，因此，需對其進行改性，使之能在空氣中穩(wěn)定存在，在應(yīng)用時不受限制。如果油酸單層改性Fe3O4粒子[1］，在以后的使用過程中需對制得的

Fe3O4粒子烘干，烘干過程中部分Fe3O4易被氧化，而使其磁性衰減。本文采用共沉淀法合成Fe3O4粒子，并以水和乙醇為分散介質(zhì)，利用油酸和十二烷基苯磺酸鈉先后對其進行改性，制得分散性良好的磁性Fe3O4流體。

1 實驗部分

1.1 主要原料

FeCl2·4H2O，分析純;FeCl3·6H2O，分析純;十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)，化學(xué)純;油酸，化學(xué)純;氨水(質(zhì)量分數(shù)為25% ～28%)，分析純;無水乙醇，分析純;二次蒸餾水。

1.2 磁性Fe3O4粒子的合成及改性

將分別配制好的FeCl3和FeCl2溶液加入250 mL三頸瓶中，于30℃水浴中強烈攪拌，并快速加入氨水，反應(yīng)在N2氣保護下進行30 min后停止攪拌。取出三頸瓶，用蒸餾水洗滌幾次。將一定量的水和乙醇加入反應(yīng)瓶中，并在恒溫60℃條件下，滴入適量油酸，滴完升溫至85℃繼續(xù)反應(yīng)30 min，自然冷卻至室溫，加入SDBS，再繼續(xù)反應(yīng)30 min后得到分散性好的黑色磁性Fe3O4流體。

1.3 表面活性劑對Fe3O4的改性機理

圖1 雙表面活性劑對Fe3O4的改性機理

采用油酸和SDBS兩種表面活性劑對磁性Fe3O4粒子進行改性，其改性機理為:第一層表面活性劑為油酸，油酸中的羧基和Fe3O4表面的羥基反應(yīng)，從而使其鍵合在Fe3O4的表面，而其疏水端向外，第二層表面活性劑SDBS，根據(jù)相似相溶的原理，SDBS的疏水端和油酸的疏水端形成雙層膠束，其親水端向外，由于靜電排斥作用，從而使磁性粒子可以很好地分散到極性溶劑中，使之得到更廣泛的應(yīng)用。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3O4紅外譜圖分析

圖2 改性Fe3O4的紅外譜圖

圖2是改性后的Fe3O4紅外譜圖，由圖2可以看出，在1 600 ～1 560 cm-1，1 420 ～1 300 cm-1處有油酸的COO—的特征吸收[2］，苯環(huán)的特征吸收在1 600 cm-1，1 580 cm-1，650 ～ 910 cm-1處，磺酸根的特征吸收峰在1 220～1 160 cm-1，1 070～1 030 cm-1處，在585 cm-1處的峰是 Fe3O4的特征吸收。由紅外譜圖可以說明此樣品中有Fe3O4磁性粒子，以及油酸和SDBS在改性過程中未發(fā)生分解或其他化學(xué)反應(yīng)。

2.2 Fe3O4衍射(ED)結(jié)果

圖3a和b分別為改性前后Fe3O4粒子的X射線衍射譜圖，從圖中可以明顯地看到改性前后譜峰基本沒有變化，表明在改性中Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)沒有改變。而在 2θ=30.43°、35.80°、43.48°、57.35°、62.92°處都有衍射譜峰的出現(xiàn)，與Fe3O4的立方晶面相對應(yīng)[3］，XRD分析該物質(zhì)為晶尖石結(jié)構(gòu)Fe3O4。根據(jù)Debye-Sherrer[4］方程計算得到其平均粒徑約為10 nm。

2.3 改性前后Fe3O4透射電鏡分析

圖3 改性前后Fe3O4的X射線衍射譜圖

圖4 Fe3O4改性前(a)、后(b)的透射電鏡照片

圖4 a和b分別是改性前后Fe3O4的電鏡照片，從圖a中可以明顯的看出改性前的Fe3O4粒子之間因存在作用力而聚集在一起，而用雙層表面活性劑改性后的Fe3O4粒子卻有著較好的分散性。

3 結(jié)論

本文首先利用化學(xué)共沉淀法合成了納米級的Fe3O4粒子，F(xiàn)e3O4為晶尖石結(jié)構(gòu)，粒子平均粒徑在10 nm左右;制得的Fe3O4粒子經(jīng)改性之后，由于粒子表面被雙層表面活性劑所包覆，因而粒子之間會產(chǎn)生靜電斥力，使得粒子在溶劑中能夠均勻分散。

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