離子型磁性液體穩定性的提高及體積分數測定

白浪

（攀枝花學院材料工程學院，四川攀枝花617000）

離子型磁性液體穩定性的提高及體積分數測定

白浪

（攀枝花學院材料工程學院，四川攀枝花617000）

研究了離子型磁性液體的制備過程，通過重力沉降和離心處理來提高磁性液體的穩定性。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聚體，改善粒徑分布的多分散性，使其長期穩定存在。通過密度的測量分析表明，Fe（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、粒徑無明顯變化，利用蒸干法可以準確確定水基離子型磁性液體的體積分數。

離心；穩定性；密度；蒸干法

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

磁性液體中納米微粒粒徑小，比表面自由能高，可通過兩種方式防止自發團聚，（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到抗團聚（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到抗團聚（離子型）。在磁性微粒制備過程中，存在預團聚體和部分大顆粒［3-4］，其布朗運動不能抵消重力沉降作用，因而制成的磁性液體放置一段時間后產生沉淀，導致磁性液體的穩定性不夠。靜置一段時間除去沉淀后，所得樣品體積分數φV（磁性液體中磁性微粒的體積與磁性液體的體積之比）也無法確定。本文提出了改進離子型磁性液體的制備過程，找到提高磁性液體穩定性和準確確定體積分數的方法。

1 實驗部分

將FeCl3，Co（NO3）2，NaOH按比例混合加熱至沸騰并持續攪拌，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粉。將一定質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］，即制成初始體積分數為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放高速離心機內，在10000 rad/min的速度下進行離心處理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后置于干燥缸中冷卻2小時。稱量干燥粉末質量，重新確定樣品2體積分數。將樣品2加水稀釋制成體積分數為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的磁性液體。

用電子顯微鏡對離心處理前后的樣品拍取多張不同視場的照片進行形貌測量；用密度瓶測出室溫（18℃）下基液及體積分數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）分別對離心處理前后的樣品拍取多張不同視場的照片如圖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數正態分布［7-8］∶

圖2為樣品1和樣品2實驗測得數據點與計算得出粒徑分布曲線圖。可以看出，離心前后樣品實驗數據點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的部分微粒數目占總粒子數比例減小，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比例小于未離心樣品，這可能是實驗中該部分粒子數很少，統計誤差所致。

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。結果表明∶經離心處理后磁性液體中部分大微粒和大團聚體被分離出來，平均粒徑減小，達到了優化離子型磁性液體穩定性的目的。

2.2 密度測量與體積分數測定

體積分數是影響磁性液體物理性能和實際應用的重要參數，準確確定體積分數對于磁性液體研究有著十分重要意義。經重力沉降和離心處理后的磁性液體穩定性提高，但其體積分數發生變化，需要重新確定，本文提出了蒸干法確定體積分數。取V體積樣品2于燒杯中，加熱水分完全蒸發后置于干燥缸中冷卻2小時。稱量干燥粉末質量為m，則樣品2體積分數為∶

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溶液中進行表面抗酸蝕處理時，微粒表面會出現Fe、N、O組成的物質［9］，該物質包裹在微粒表面，形成非磁性的抗酸蝕層，但對該層的厚度研究還未見報道。非磁性層會導致蒸干法所確定的體積分數產生誤差，為確定其影響，可通過磁性液體的密度進行討論。

表2為不同體積分數的水基CoFe2O4離子型磁性液體密度實驗數據，作出密度與體積分數關系如圖3所示。可以看出，密度與體積分數呈正比關系，用最小二乘法擬合出二者關系式為∶

磁性液體蒸干后剩余物質為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。設單個微粒Fe（NO3）3層體積為Vs，密度為ρs=1.68 g/cm3內核CoFe2O4體積為Vc單個顆粒的平均密度為∶

則磁性液體密度與體積分數的關系為∶

式中，ρl為基液密度，由式（1）和式（3）可得∶

設表面包裹層平均厚度為δ，內核CoFe2O4直徑為，計算可得δ=2.07×10-11m。

根據計算結果可以看出，Fe（NO3）3包裹層體積僅占微粒總體積的0.9%，其厚度極薄，表明表面層的存在對微粒的形貌、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數是準確的。

3 結論

通過上述實驗和分析可得出如下結論∶

（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、粒徑無明顯變化。

（3）用蒸干發可以準確確定水基離子型磁性液體的體積分數。

［1］李建'趙保剛.磁性液體—基礎及應用［M］.重慶:西南師范大學出版社'2002.

［2］李德才.磁性液體理論及應用［M］.北京:科學出版社'2003.

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［9］王安蓉'李建'王躍.經Fe(NO3）3處理的Fe3O4納米微粒分析［J］.分析測試學報'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