離子型磁性液體穩(wěn)定性的提高及體積分?jǐn)?shù)測(cè)定

白浪

（攀枝花學(xué)院材料工程學(xué)院，四川攀枝花617000）

離子型磁性液體穩(wěn)定性的提高及體積分?jǐn)?shù)測(cè)定

白浪

（攀枝花學(xué)院材料工程學(xué)院，四川攀枝花617000）

研究了離子型磁性液體的制備過(guò)程，通過(guò)重力沉降和離心處理來(lái)提高磁性液體的穩(wěn)定性。樣品處理前后的TEM圖像和粒徑分析表明，離心處理可以有效去除離子型磁性液體中大微粒和團(tuán)聚體，改善粒徑分布的多分散性，使其長(zhǎng)期穩(wěn)定存在。通過(guò)密度的測(cè)量分析表明，F(xiàn)e（NO3）3處理后的CoFe2O4納米微粒表面包裹有極薄的抗酸蝕層，微粒的形貌、粒徑無(wú)明顯變化，利用蒸干法可以準(zhǔn)確確定水基離子型磁性液體的體積分?jǐn)?shù)。

離心；穩(wěn)定性；密度；蒸干法

磁性液體是由納米級(jí)磁性微粒穩(wěn)定的懸浮于液體（基液）中形成的膠體體系［1］。它是一種液態(tài)磁性功能材料，既具有固體的磁性，又有液體的流動(dòng)性，在密封、電力、電子和醫(yī)療等眾多領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用［1-2］。

磁性液體中納米微粒粒徑小，比表面自由能高，可通過(guò)兩種方式防止自發(fā)團(tuán)聚，（1）微粒吸附表面活性劑，利用表面活性劑的空間位形排斥作用達(dá)到抗團(tuán)聚（表面活性劑型）；（2）微粒表面帶上同種電荷，利用同種電荷之間的靜電排斥力以達(dá)到抗團(tuán)聚（離子型）。在磁性微粒制備過(guò)程中，存在預(yù)團(tuán)聚體和部分大顆粒［3-4］，其布朗運(yùn)動(dòng)不能抵消重力沉降作用，因而制成的磁性液體放置一段時(shí)間后產(chǎn)生沉淀，導(dǎo)致磁性液體的穩(wěn)定性不夠。靜置一段時(shí)間除去沉淀后，所得樣品體積分?jǐn)?shù)φV（磁性液體中磁性微粒的體積與磁性液體的體積之比）也無(wú)法確定。本文提出了改進(jìn)離子型磁性液體的制備過(guò)程，找到提高磁性液體穩(wěn)定性和準(zhǔn)確確定體積分?jǐn)?shù)的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

將FeCl3，Co（NO3）2，NaOH按比例混合加熱至沸騰并持續(xù)攪拌，沸騰5分鐘后取下，得到沉淀物即CoFe2O4磁性納米顆粒，反應(yīng)方程為∶

X射線衍射分析表明，生成的納米微粒成份為CoFe2O［5］

4。將CoFe2O4納米顆粒倒入沸騰的Fe（NO3）3溶液中，進(jìn)行表面處理形成抗酸蝕層。冷卻后，將沉淀物用丙酮脫水，自然干燥后研磨成細(xì)粉。將一定質(zhì)量的粉末與一定體積、一定濃度的稀硝酸溶液混合振蕩，H+吸附于微粒表面形成帶電層［6］，即制成初始體積分?jǐn)?shù)為2%的離子型磁性液體。

樣品靜置兩天，去除底部沉淀物后作為樣品1，取部分樣品1放高速離心機(jī)內(nèi)，在10000 rad/min的速度下進(jìn)行離心處理5分鐘后，去除沉淀物后得到樣品2。

取一定體積樣品2于燒杯中，加熱直至水分完全蒸發(fā)后置于干燥缸中冷卻2小時(shí)。稱量干燥粉末質(zhì)量，重新確定樣品2體積分?jǐn)?shù)。將樣品2加水稀釋制成體積分?jǐn)?shù)為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的磁性液體。

用電子顯微鏡對(duì)離心處理前后的樣品拍取多張不同視場(chǎng)的照片進(jìn)行形貌測(cè)量；用密度瓶測(cè)出室溫（18℃）下基液及體積分?jǐn)?shù)0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%水基CoFe2O4離子型磁性液體密度。

2 分析討論

2.1 TEM分析

用透射電子顯微鏡（TEM）分別對(duì)離心處理前后的樣品拍取多張不同視場(chǎng)的照片如圖1所示，可以看出，納米微粒大小不一，粒徑基本在5～40 nm之間，可近似看作球形。研究表明，磁性液體粒徑分布滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布［7-8］∶

圖2為樣品1和樣品2實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)點(diǎn)與計(jì)算得出粒徑分布曲線圖?？梢钥闯?，離心前后樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)與粒徑分布曲線基本吻合。離心處理后，樣品中粒徑大于14.54 nm的部分微粒數(shù)目占總粒子數(shù)比例減小，粒徑小于14.54 nm部分的微粒所占比例增加。但在5 nm附近離心后樣品粒子數(shù)比例小于未離心樣品，這可能是實(shí)驗(yàn)中該部分粒子數(shù)很少，統(tǒng)計(jì)誤差所致。

從圖2整體圖形上看，離心處理后的磁性液體的粒徑分布更為集中，范圍更窄。結(jié)果表明∶經(jīng)離心處理后磁性液體中部分大微粒和大團(tuán)聚體被分離出來(lái)，平均粒徑減小，達(dá)到了優(yōu)化離子型磁性液體穩(wěn)定性的目的。

2.2 密度測(cè)量與體積分?jǐn)?shù)測(cè)定

體積分?jǐn)?shù)是影響磁性液體物理性能和實(shí)際應(yīng)用的重要參數(shù)，準(zhǔn)確確定體積分?jǐn)?shù)對(duì)于磁性液體研究有著十分重要意義。經(jīng)重力沉降和離心處理后的磁性液體穩(wěn)定性提高，但其體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，需要重新確定，本文提出了蒸干法確定體積分?jǐn)?shù)。取V體積樣品2于燒杯中，加熱水分完全蒸發(fā)后置于干燥缸中冷卻2小時(shí)。稱量干燥粉末質(zhì)量為m，則樣品2體積分?jǐn)?shù)為∶

式中，ρc為CoFe2O4密度5.291 g/cm3。

研究表明，磁性納米微粒在Fe（NO3）3溶液中進(jìn)行表面抗酸蝕處理時(shí)，微粒表面會(huì)出現(xiàn)Fe、N、O組成的物質(zhì)［9］，該物質(zhì)包裹在微粒表面，形成非磁性的抗酸蝕層，但對(duì)該層的厚度研究還未見(jiàn)報(bào)道。非磁性層會(huì)導(dǎo)致蒸干法所確定的體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生誤差，為確定其影響，可通過(guò)磁性液體的密度進(jìn)行討論。

表2為不同體積分?jǐn)?shù)的水基CoFe2O4離子型磁性液體密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作出密度與體積分?jǐn)?shù)關(guān)系如圖3所示?？梢钥闯?，密度與體積分?jǐn)?shù)呈正比關(guān)系，用最小二乘法擬合出二者關(guān)系式為∶

磁性液體蒸干后剩余物質(zhì)為CoFe2O4以及其表面包裹層Fe（NO3）3，離心處理后的微粒粒徑分布較窄，可近似用體積平均粒徑ˉxV表示。設(shè)單個(gè)微粒Fe（NO3）3層體積為Vs，密度為ρs=1.68 g/cm3內(nèi)核CoFe2O4體積為Vc單個(gè)顆粒的平均密度為∶

則磁性液體密度與體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系為∶

式中，ρl為基液密度，由式（1）和式（3）可得∶

設(shè)表面包裹層平均厚度為δ，內(nèi)核CoFe2O4直徑為，計(jì)算可得δ=2.07×10-11m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，F(xiàn)e（NO3）3包裹層體積僅占微?？傮w積的0.9%，其厚度極薄，表明表面層的存在對(duì)微粒的形貌、粒徑影響極小，因此，在蒸干法中用CoFe2O4的密度作為微粒密度確定磁性液體的體積分?jǐn)?shù)是準(zhǔn)確的。

3 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)和分析可得出如下結(jié)論∶

（1）重力沉降和離心處理可以去除磁性液體中粒徑較大微粒和團(tuán)聚體，使粒徑分布更集中，分布曲線變窄，平均粒徑減小，提高了磁性液體穩(wěn)定性。

（2）Fe（NO3）3處理后的CoFe2O4納米微粒表面包裹有極薄的抗酸蝕層處理后微粒的形貌、粒徑無(wú)明顯變化。

（3）用蒸干發(fā)可以準(zhǔn)確確定水基離子型磁性液體的體積分?jǐn)?shù)。

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［2］李德才.磁性液體理論及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社'2003.

［3］白浪'于娟.CoFe2O4磁性液體冰凍前后的磁性［J］.科技導(dǎo)報(bào)'2010'17:54-57.

［4］Taketomi S'Drew R V.Peculiar magnetic afterefftct of highly diluted frozen magnetic fluids［J］.J.Magn.Magn. Mater.'2006'307:77-84.

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［9］王安蓉'李建'王躍.經(jīng)Fe(NO3）3處理的Fe3O4納米微粒分析［J］.分析測(cè)試學(xué)報(bào)'2006(6）:35-38.

Improvement of Stability and Measurement of Volume Fraction of Ionic Ferrofluids

BAILang
（Department of Material Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China）

The preparing process of ionic ferrofluids is researched，and the stability of ferrofluids is improved by sedimentation and centrifugation.It can be concluded from TEM photograph and size analysis that the aggregation and big particles can be removed by centrifugation，and the polydispersity of particles size distribution can be improved，therefore the ionic ferrofluids can exist stably for long time.The density of ferrofuids is measured and analyzed，the results show that after Fe（NO3）3treated，CoFe2O4has been coated with a very thin antiacid layer，the shape and diameter distribution of particles are not change obviously.The volume fraction of ionic ferrrofluids based on water can be determined accurately by evaporation.

centrifugation；stability；density；evaporation

O414

A

1673-1549（2014）01-0012-04

10.11863/j.suse.2014.01.04

2013-08-26

白浪（1981-），男，四川德陽(yáng)人，講師，碩士，主要從事磁性納米材料方面的研究，（E-mail）279832660@qq.com