全氟碳油基磁性液體的制備

孫維民， 魯一寧， 尹賓賓， 鄭 卓

(沈陽工業大學 理學院， 沈陽 110870)

全氟碳油基磁性液體的制備

孫維民， 魯一寧， 尹賓賓， 鄭 卓

(沈陽工業大學 理學院， 沈陽 110870)

為了擴展Fe-Ni合金納米粒子的應用，采用直流電弧等離子體法在55%Ar+25%H2+20%SiH4的混合氣氛中制備了SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子，并用其作為磁性粒子、油酸和十二烷基苯磺酸鈉的混合液為表面活性劑、全氟碳油為基液制備了磁性液體。用黏度計和震動樣品磁強計測試了制備的全氟碳油基磁性液體的黏度和磁性。結果表明，用SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子作為磁性粒子制備的全氟碳油基磁性液體，在25 ℃，黏度為36.6～75.3 Pa·s；85 ℃，黏度為10.9～38.6 Pa·s；室溫下飽和磁化強度為4.6～15.5 A·m2/kg。

全氟碳油； 磁性液體； 納米粒子； 核/殼結構

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展，對轉動部位的密封與潤滑用材料的要求也越來越高，人們不斷探索各種密封與潤滑用材料的制備方法[1-3]、特性[4-5]及應用領域[6-12]。針對有些轉動部位使用傳統潤滑油時，在重力、離心力的作用下會產生泄漏、飛濺等現象，這些問題將縮短器件的使用壽命，并且造成資源浪費和環境污染[13-15]。由于全氟碳油具有優異的化學惰性、高的熱穩定性、不燃性和良好的潤滑性，SiO2具有屏蔽磁性粒子間的偶極相互作用、阻止磁性粒子團聚和極好的穩定性的優點，同時納米SiO2作為添加劑添加到基礎油中可以顯著提高基礎油的承載能力和抗磨能力，是良好的潤滑油添加劑之一[16]。本文嘗試用全氟碳油為基液，SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子為磁性粒子，油酸和十二烷基苯磺酸鈉的混合液為表面活性劑，開發一種既可用于機械密封，同時又具有良好潤滑功能的全氟碳油基磁性液體。

1 實驗方法

1.1 SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子的制備

以純度為99.5%(質量百分數)的Fe-Ni合金棒為原料(陽極)，W棒為陰極，在總壓力為80 kPa的55%Ar+25%H2+20%SiH4的混合氣氛中，用直流電弧等離子體熔化Fe-Ni合金制備Si包覆Fe-Ni合金納米粒子，制備時間2～6 h。然后用氣流使其懸浮在1%O2+99%Ar的混合氣體中4～6 h進行鈍化處理，即獲得SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子。

由圖1可知，SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子呈類球形，粒度分布為20～60 nm，高倍數形貌照片表明，表面上明顯有包覆層，其厚度為3～4 nm。

(b) 單粒子

圖2為制備的SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子的X射線光電子譜。由圖中結合能可知，粒子的表面包覆物為SiO2，兩處高能峰來自內核的Fe、Ni。

圖2 SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子的X射線光電子譜

圖3為SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子在室溫時的磁滯回線，其飽和磁化強度M為60 A·m2/kg。

圖3 SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子在室溫下的磁滯回線

1.2 油酸和十二烷基苯磺酸鈉修飾的SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子的制備

首先配制質量比為2∶1的油酸和十二烷基苯磺酸鈉混合溶液，然后放入高壓反應釜中，在壓力0.5 MPa、溫度90 ℃的條件下攪拌30 min，當高壓反應釜中的壓力和溫度降到常壓和室溫后，得到質量比為2∶1混合均勻的油酸和十二烷基苯磺酸鈉的混合溶液。然后再把SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子放入高壓反應釜中，在壓力1 MPa、溫度50 ℃條件下攪拌60 min，即獲得油酸和十二烷基苯磺酸鈉修飾的SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子。

1.3 全氟碳油基磁性液體的制備

全氟碳油基磁性液體的質量組成為：油酸和十二烷基苯磺酸鈉修飾的SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子5%～25%，全氟碳油75%～95%，以上配方比例按質量份計算。其制備方法是：①按全氟碳油基磁性液體的組成配方分別稱取油酸和十二烷基苯磺酸鈉修飾的SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子、全氟碳油；②先將全氟碳油加熱到40～45 ℃，再將油酸和十二烷基苯磺酸鈉修飾的SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子放入，在機械攪拌下用超聲波震蕩6～10 min，然后再加熱到60～65 ℃并恒溫8～10 min，再自然冷卻到室溫，即制備出全氟碳油基磁性液體。

2 全氟碳油基磁性液體的黏度

圖4給出了制備的全氟碳油基磁性液體的黏度與SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子濃度、溫度關系。從圖可知，全氟碳油基磁性液體的黏度隨SiO2包覆Fe-Ni合金納粒子質量分數的增加而增大，隨著溫度的升高而降低，但并不是嚴格的線性關系。在25 ℃時黏度范圍為36.6～75.3 Pa·s，在85 ℃時黏度范圍為10.9～38.6 Pa·s。

3 全氟碳油基磁性液體的磁性

圖5為全氟碳油基磁性液體中SiO2包覆Fe-Ni合金納粒子含量為5%時，在室溫下的磁滯回線，其飽和磁化強度為4.6 A·m2/kg。

圖4 磁性液體的黏度與SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子濃度、溫度的關系

圖5 磁性液體中SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子含量為5%時的磁滯回線

圖6給出了制備的全氟碳油基磁性液體在室溫時飽和磁化強度與SiO2包覆Fe-Ni合金納粒子濃度的關系。從圖可知，全氟碳油基磁性液體的飽和磁化強度隨SiO2包覆Fe-Ni合金納粒子含量的增加而增大，但并非嚴格的線性關系，室溫下飽和磁化強度范圍為4.6～15.5 A·m2/kg。

圖6 磁性液體在室溫時飽和磁化強度與SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子濃度的關系

4 結 論

(1)用直流電弧等離子體法，在55%Ar+25%H2+20%SiH4的混合氣氛中制備了SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子，粒子呈類球形，粒度分布為20～60 nm，表面上包覆的SiO2厚度為3～4 nm。

(2)用制備的SiO2包覆Fe-Ni合金納米粒子作為磁性粒子，油酸和十二烷基苯磺酸鈉的混合液為表面活性劑，全氟碳油為基液制備了磁性液體。制備的全氟碳油基磁性液體，在25 ℃，黏度為36.6～75.3 Pa·s，85 ℃時黏度為10.9～38.6 Pa·s，室溫下飽和磁化強度為4.6～15.5 A·m2/kg。

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Researches on Preparation of Fluorocarbon Oil-based Magnetic Liquid

SUNWei-min,LUYi-ning,YINBin-bin,ZHENGZhuo

(College of Science, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to extend the application of Fe-Ni alloy nanoparticles, Fe-Ni alloy nanoparticles coated by SiO2 were prepared by DC arc discharge evaporating Fe-Ni alloy in 55%Ar+25%H2+20%SiH4atmosphere. The fluorocarbon oil-based magnetic liquid was prepared. Fe-Ni alloy nanoparticles coated by SiO2were used as magnetic particle, oleic acid and sodium dodecylbenzene sulphonate as surfactant, fluorocarbon oil as base solution. The viscosity and magnetic of magnetic liquid were studied by viscometer and vibrating sample magnetometer. Result showed the viscosity of magnetic liquid was in range from 36.6—75.3 Pa·s at 25 ℃. When temperature was at 85 ℃, the viscosity was in range from 10.9—38.6 Pa·s. At room temperature, the saturation magnetization is in range from 4.6—15.5 A·m2/kg.

fluorocarbon oil; magnetic liquid; nanoparticles; core/shell structure

2016-04-15

遼寧省自然科學基金資助項目(201102166)

孫維民(1960-)，男，山東煙臺人，博士，教授，主要研究方向：納米材料的制備、物性及應用。

Tel.：024-25497125；E-mail:sunwm1983@126.com

TB 383； TE 626

A

1006-7167(2017)01-0062-03