不同油酸加入量的納米磁粉對(duì)磁性流體的性能影響

黃 波，布和巴特爾，遲佳龍

（黑龍江省化工研究院，黑龍江 哈爾濱 150078）

納米四氧化三鐵（Fe3O4）磁性液體是目前磁性液體研究的熱點(diǎn)之一，其磁性顆粒的制備技術(shù)已十分成熟，其中化學(xué)共沉淀法因具有操作簡(jiǎn)便、成本低、對(duì)設(shè)備要求不高等優(yōu)點(diǎn)，是目前制備磁性顆粒最常使用的方法[1，2]。由于磁性流體的工作介質(zhì)是納米Fe3O4，它的磁學(xué)性能直接影響到所制備的磁性流體的物理性能，因此，研究納米Fe3O4的表面修飾，就顯得非常重要。本文中采用化學(xué)共沉淀法制備納米Fe3O4，并通過機(jī)械球磨的方法，經(jīng)表面活性劑表面處理磁性顆粒，制備穩(wěn)定分散的納米Fe3O4礦物油基磁性液體[3]。并研究了表面活性劑含量對(duì)磁性液體粘度、高溫性能、磁飽和強(qiáng)度、表面修飾等性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

FeCl3·6H2O；FeCl2·4H2O；NH3·H2O；甲醇；HCl；油酸；二立脫礦物油；聚醚類表面活性劑。

501A型恒溫器；攪拌器；晶體形貌通過JEM 1230透射電鏡TEM（日本電子株式會(huì)社）測(cè)定；樣品的磁性通過JDM 13型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)定；粘度通過NDJ-1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行測(cè)定；高溫性能通過型控溫烘箱進(jìn)行測(cè)定。

1.2 Fe3O4 磁粉的制備[4，5]

（1）稱取 50g FeCl3·6H2O 與 20g FeCl2·4H2O，分別用100mL的蒸餾水完全溶解。溶解后將這兩種溶液在攪拌速度50r·min-1，溫度40℃條件下混合。

（2）在 500mL燒杯中放入 200mLNH3·H2O，在快速攪拌條件下將上述混液注入。持續(xù)攪拌10min后迅速升溫至90℃，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別加入0、5、10、15、20mL油酸?？刂苝H值為12，連續(xù)攪拌60min。

（3）利用離心機(jī)將磁粉與溶液分離，再依次用蒸餾水（清洗3次）、甲醇（清洗2次）進(jìn)行清洗。后在50℃烘箱中烘干，以備下步實(shí)驗(yàn)使用。

1.3 磁性流體的制備

（1）稱取20g相應(yīng)的Fe3O4磁粉，將其放入100mL燒杯中，注入50mLC6H12，攪拌、升溫，溫度升至90℃后持續(xù)攪拌10min，得到溶液A。

（2）在溶液A中加入聚醚類表面活性劑，在溫度為50℃條件下，攪拌10min。得到溶液B。

（3）然后稱取50g二立脫礦物油，在攪拌條件下緩慢注入溶液B中。同時(shí)升溫將C6H12完全蒸發(fā)，得到磁性流體粗品，再經(jīng)過球磨、沉降、離心，最終得到滿足實(shí)驗(yàn)要求的磁性流體。

2 測(cè)試與分析

2.1 TEM分析

使用JEM 1230透射電鏡TEM（日本電子株式會(huì)社)對(duì)實(shí)驗(yàn)中制備的磁粉粒徑進(jìn)行分析。

圖1 不同油酸加入量磁粉的TEM電鏡圖Fig.1 TEM electronmicroscope ofmagnetic powder by differentamountof oleic acid addition

從圖1可以看出，隨著油酸加入量的不斷增加，磁粉粒徑不斷減小，這是由于隨著油酸加入量的不斷增加，油酸對(duì)磁粉的表面包覆程度趨于飽和，磁粉表面包覆的表面活性劑使得磁粉粒子的表面電勢(shì)增加，帶同號(hào)電荷的粒子間產(chǎn)生了靜定排斥作用，使得磁粉的粒徑不斷減小。但是當(dāng)油酸加入量達(dá)到15%時(shí)，磁粉粒徑反而增大，這是由于當(dāng)磁粉與油酸包覆達(dá)到飽和，多余的油酸粒子以游離的形式存在于溶液中，磁粉表面包覆的表面活性劑疏水基與溶液中的表面活性劑發(fā)生疏水作用形成膠團(tuán)了，進(jìn)而使多個(gè)磁粉粒子形成了大粒徑的磁粉膠團(tuán)粒子，從而造成了磁粉粒徑的變大。

2.2 磁性流體粘度分析

使用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)對(duì)各個(gè)樣品的粘度進(jìn)行測(cè)定，并繪制粘溫曲線。

圖2 不同油酸加入量磁粉所制備的磁性流體粘溫曲線Fig.2 Viscosity-temperature curve ofmagnetic fluid preparation bymagnetic powder adding to differentamount of oleic acid

從圖2可以看出，隨著Fe3O4磁粉油酸加入量的增加，使得所制備的磁性流體的粘度不斷降低，這是由于隨著油酸加入量的不斷增加，F(xiàn)e3O4粒子表面的包覆程度不斷增加，從Fe3O4TEM電鏡中可以看出，磁粉的粒徑愈來愈小，隨著磁粉粒徑的不斷減小，使得磁性流體體系的粘度也隨之減小。但是當(dāng)油酸加入量達(dá)到20%時(shí)，磁性流體體系的粘度突然大幅度降低，這是由于隨著磁粉油酸加入量的不斷增加，當(dāng)磁粉與油酸表面包覆達(dá)到飽和后，多余的油酸以游離形式存在于磁性流體體系中，由于油酸是一種很好的潤(rùn)滑劑，從而降低了磁性流體體系整體的粘度。

2.3 磁性流體磁飽和強(qiáng)度分析

使用JDM 13型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)對(duì)各個(gè)樣品的磁飽和強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)0～10000 Oe區(qū)間內(nèi)測(cè)定，數(shù)據(jù)繪制磁化曲線圖見圖3。

圖3 不同油酸加入量磁粉所制備的磁性流體磁化曲線Fig.3 Magnetization curve ofmagnetic fluid preparation by magnetic powder adding to different amountof oleic acid

從圖3可以看出，隨著磁粉油酸加入量的不斷增加，相對(duì)應(yīng)磁粉所制備的磁性流體磁飽和強(qiáng)度也不斷增加，但是當(dāng)磁粉油酸加入量達(dá)到15%時(shí)，磁性流體的磁飽和強(qiáng)度反而降低。結(jié)合圖1（不同油酸加入量磁粉的TEM電鏡圖）可以看出，隨著磁粉油酸加入量的不斷增加,磁粉粒徑不斷減小，磁粉比表面積不斷增加，這就使得磁粉在磁性流體體系中與載液的結(jié)合更加緊密，磁性流體體系更加平衡、穩(wěn)定。但當(dāng)磁粉油酸加入量達(dá)到15%后，磁粉粒徑變大，造成磁粉比表面積降低，破壞了磁性流體系統(tǒng)的平衡，降低了其穩(wěn)定性。從而使得磁性流體在高磁場(chǎng)條件下發(fā)生磁液分離現(xiàn)象，造成磁性流體中磁粉含量降低，進(jìn)而降低了磁性流體的磁飽和強(qiáng)度。

2.4 磁性流體高溫性能分析

將所制備的磁性流體放入2×2cm的稱量瓶中（加入量為瓶體積的1/3），放置于烘箱中，烘箱溫度設(shè)置為200℃。持續(xù)加熱25h，各個(gè)磁性流體樣品無膠化現(xiàn)象，計(jì)算個(gè)樣品的揮發(fā)損失量，結(jié)果見表1。

表1 不同油酸加入量磁粉所制備的磁性流體高溫?fù)]發(fā)損失量Tab.1 High temperature volatilization loss ofmagnetic fluid preparation bymagnetic powder adding to differentamount of oleic acid

從表1可以看出，隨著磁粉中油酸加入量的不斷增加，所制備的磁性流體在高溫下的揮發(fā)損失量不斷減小。根據(jù)潤(rùn)滑油手冊(cè)，在潤(rùn)滑油體系中，金屬氧化物常作為潤(rùn)滑油破壞介質(zhì)存在，隨著油酸對(duì)Fe3O4納米粒子表面包覆程度的不斷增加，使得Fe3O4粒子與潤(rùn)滑油的接觸界面不斷減少，抑制了Fe3O4粒子對(duì)潤(rùn)滑油的破壞作用，從而降低磁性流體的整體揮發(fā)損失量，提高了磁性流體的高溫性能。但是當(dāng)磁粉的油酸加入量達(dá)到20%時(shí)，其高溫?fù)]發(fā)損失量反而增加，高溫性能變差。這是由于當(dāng)油酸對(duì)Fe3O4表面包覆達(dá)到飽和后，剩余的油酸粒子以游離的形式存在于磁性流體中，油酸的熔點(diǎn)為180℃，在溫度200℃條件下，油酸發(fā)生碳化焦化，進(jìn)而破壞磁性流體體系的穩(wěn)定，使得Fe3O4粒子表面裸露，引起磁性流體的高溫性能降低。

3 結(jié)論

通過本實(shí)驗(yàn)可以看出，不同油酸加入量的磁粉對(duì)磁性流體體系的粘度、磁飽和強(qiáng)度、高溫性能都有很大的影響。磁粉油酸加入量與磁性流體性能存在一個(gè)平衡點(diǎn)。因此，找到并研究這個(gè)平衡點(diǎn)，對(duì)磁性流體性能的提高具有促進(jìn)作用。

[1] V.Bashtovoy,B.M.Berkovsky.Magnetie Fluid and Application Handbood[M].New York:HemispherePublishingCorporation,1996.

[2] 布和巴特爾.酯基磁性流體的制備與性能分析[J].化學(xué)工程師，2008，（8）.

[3] Orduz,Lucian Tsuda,Shiro Hirota,et al.Ferrofluid composition and process[P].US:6,277,298,2001-08-21.

[4] 劉曉紅.納米磁性流體的制備及性能分析[J].化學(xué)工程師，2008，（1）.

[5] 遲佳龍.油酸包覆下的納米四氧化三鐵材料的制備及溫度對(duì)粒徑的影響[J].化學(xué)工程師，2009，（3）.