Fe3O4水基磁性液體的制備及性能研究

閆 東，李占賢

（1.華北理工大學(xué)機械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)研究院，河北 唐山 063210）

0 引言

磁性液體通常情況下有以下三部分構(gòu)成：磁性顆粒、表面活性劑和基載液[1]。在沒有外界磁場的情況下，磁性顆粒處于無序運動狀態(tài)，此時磁性液體的特性同基載液的特性類似，表現(xiàn)為流動性；而當(dāng)存在外界磁場時，磁性顆粒被磁化，磁性液體表現(xiàn)為磁性。用于制備磁性液體的磁性顆粒主要分為以下三類：第一類是金屬顆粒及其合金顆粒，例如Fe、Ni、Co等，這種磁性顆粒的穩(wěn)定性較好，飽和磁化強度較高，但是當(dāng)長時間和空氣進行接觸后，很容易發(fā)生氧化反應(yīng)，影響磁性液體的性能[2]；第二類是金屬氧化物及鐵氧體，例如Fe3O4，這種磁性顆粒的穩(wěn)定性最好，雖然飽和磁化程度一般，但是制備較為簡單，適合實驗室制備和使用；第三類是氮化鐵顆粒，此類磁性顆粒在制備磁性液體的過程中很容易產(chǎn)生不穩(wěn)定反應(yīng)，影響最終的穩(wěn)定性。磁性液體在密封、磁懸浮、拋光、生物醫(yī)學(xué)等方面有著廣泛的應(yīng)用[3-6]。

本實驗采用Fe3O4作為磁性顆粒，水作為基載液制備磁性液體，制備方式為高速機械攪拌法，通過改變磁性顆粒制備出沉淀率較低、性能穩(wěn)定的Fe3O4水基磁性液體。

1 實驗

1.1 實驗材料

磁性顆粒在很大程度上影響了磁性液體的磁學(xué)性能。通常情況下要求磁性顆粒具備很好的導(dǎo)磁率，飽和磁化強度較高的特點，因此選擇微米級別的羰基鐵和納米級別Fe3O4顆粒制備磁性液體。磁性液體的流動性主要受到基載液粘度的影響，本研究選擇10nm~20nm鐵粉、100μm~200μm鐵粉、10nm~20nm鐵粉和10nm~20nm羰基鐵粉作為磁性顆粒、純凈水作為基載液。選擇鈉基膨潤土作為添加劑。

1.2 實驗步驟

將水倒入水浴鍋中并放置好裝有純凈水的燒杯，進行恒溫加熱，當(dāng)溫度穩(wěn)定為30℃后，將燒杯中加入2%鈉基膨潤土，在加入鈉基膨潤土的過程中，少量、緩慢的進行添加，同時，使用玻璃棒不斷進行攪拌，在添加完成后進行攪拌機的攪拌，攪拌時間為1h。鈉基膨潤土攪拌完成后再加入磁性顆粒，與加入膨潤土的方法一樣，少量、緩慢的進行添加，添加過程中使用玻璃棒進行攪拌，之后使用攪拌機進行攪拌，攪拌時間為2h。時間完成后，將燒杯取出，并進行冷卻，待冷卻至室溫時即可。在制備過程中需要嚴格控制加入顆粒的含量和攪拌時間等，確保實驗的科學(xué)性和嚴謹性。

實驗制備得到10nm~20nm鐵粉、100μm~200μm鐵粉、10nm~20nm鐵粉和10nm~20nm羰基鐵粉三種磁性顆粒的磁性液體，分別標號為1號、2號、3號。

1.3 Fe3O4水基磁性液體的性能測試

實驗的測試設(shè)備為振動樣品磁強計，型號為LS7307-9309，可以對制備出的磁性液體進行磁化強度的分析和測試。

振動樣品磁強計的基礎(chǔ)原理為電磁感應(yīng)定律，VSM通過將樣品的表面進行磁化，產(chǎn)生磁荷，在測試的過程中，樣品的內(nèi)部產(chǎn)生退磁場，通過對樣品進行微小振動從而產(chǎn)生電動勢的方法來進行磁化強度的測量和記錄。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 沉降穩(wěn)定性

三種磁性液體的沉降性如表1所示。由表可知，三種樣品的沉降率均不高，未超過16%。表明其均具備較好的沉降穩(wěn)定性。1號樣品無分層現(xiàn)象，但磁性較弱，飽和磁化程度較低；2號樣品的磁性較強，但分層現(xiàn)象較為明顯，穩(wěn)定性不高；3號樣品無分層現(xiàn)象，同時磁性較強，性能優(yōu)良。因此對3號樣品進行磁化強度的測試與分析。

表1 樣品沉降率表

2.2 VSM測試及分析

圖1為所制得磁性液體的磁滯回線，由圖1可知，當(dāng)H=0時，B=0，此時說明磁性液體不存在殘留磁感應(yīng)強度的現(xiàn)象，即磁性液體的矯頑力為0，磁性液體具有良好的超順磁性，這表明，所制備的磁性液體中磁性液體顆粒主要為單磁疇小顆粒，多磁疇大顆粒含量較少。從曲線中可以得知，曲線穩(wěn)定后，其飽和磁化強度為11.75emu/g。

圖1 磁性液體磁滯回線

圖2 磁性液體磁滯回線計算值

圖2 為所制得磁性液體的磁化曲線的計算值，圖3為磁性液體磁化曲線的測量值與計算值的比較，可以看出計算值和測量值大致相同，當(dāng)磁場強度無限進行增大時，可以認為兩條曲線接近重合關(guān)系，通過計算得到飽和磁化強度為11.41emu/g，與測量值相差2.8%?？梢哉J為磁學(xué)性能良好。

圖3 磁性液體磁滯回線測量值與計算值的比較

3 結(jié)論

選用10nm~20nm鐵粉、100μm~200μm鐵粉、10nm~20nm鐵粉和10nm~20nm羰基鐵粉作為磁性顆粒分別制備了三組磁性液體樣品，并對其性能進行了測試分析，得出如下結(jié)論：

1）三種樣品的沉降率均小于16%，沉降率不高，1號和2號樣品分別具備磁性弱和分層明顯等缺點，3號樣品的沉淀穩(wěn)定性最好。

2）3號磁性液體樣品表現(xiàn)超順磁性，飽和磁化強度為11.75emu/g。

3）制備得到磁性液體的磁化性能曲線與計算值相差2.8%，磁學(xué)性能良好。