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水熱法制備的Fe3O4磁流體
水熱法制備了納米Fe3O4粒子，通過選用合適的分散劑和采用超聲波分散的方法，制備出在重力場和磁場中穩(wěn)定性好的水基磁流體，由正交實驗結(jié)果分析出了影響水基Fe3O4磁流體性能的主要因素。終得到的反應條件：濃NH3·H2O(AR)作為pH調(diào)節(jié)劑，F(xiàn)e3+/Fe2+的比值R=1.75，水熱反應溫度t=160℃，反應時間τ=5h。采用XRD、粒度儀和磁天平等對所制備的產(chǎn)物進行了分析表征，確定產(chǎn)物為單一相的Fe3O4，平均粒度為35nm，比表面積為85m2/g，飽和磁化強度為80A·m2/kg；所制得的磁流體在320mT的強磁場中無明顯的分層現(xiàn)象，在可見光的照射和磁場共同作用下，肉眼可以看到有明亮的光環(huán)產(chǎn)生。
關鍵詞：磁流體；納米Fe3O4粒子；水熱法；磁光現(xiàn)象
在以信息技術、新能源、生物工程和新材料為主要標志的信息時代，實現(xiàn)多功能和集成化為目標的智能材料是當今材料研究的重要方向之一，其中對外加磁場具有響應性的磁流體是一種重要的無機智能材料。磁流體是一種將強磁性納米粒子分散到液相中得到的非常穩(wěn)定且?guī)Т判缘哪z態(tài)體系，它將固體的磁性和液體的流變性巧妙地結(jié)合起來， 呈現(xiàn)出許多特殊的磁、光、電現(xiàn)象。目前對這些現(xiàn)象的機理研究還不夠深入，也缺乏相應的理論模型，因而影響了磁流體的應用和推廣。其實，磁流體是一種很有力的新型液態(tài)磁性材料，孕育著無限的應用前景，其應用范圍已擴展到航空航天、電子、化工、機械、能源、冶金、儀表、環(huán)保、生物醫(yī)療等各個領域[1]。
由于納米Fe3O4具有高的比表面、高的比飽和磁化強度和剩磁為零的超順磁性而被廣泛地用作磁流體的磁性粒子[2]。在諸多的制備方法中，我們選用水熱法[3]，水熱法是指在高壓釜里的高溫、高壓反應環(huán)境中，采用水作為反應介質(zhì)，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解、反應、重結(jié)晶而得到理想的產(chǎn)物。水熱法具有兩個特點，一是相對高的溫度(130～250℃)有利于磁性能的提高；二是在封閉容器中進行，產(chǎn)生相對高壓(0.3～4MPa)并避免了組分揮發(fā)。本文研究了Fe3+/Fe2+的比值R、堿的種類、反應溫度和時間對制備Fe3O4粒子性能的影響。
1 實驗部分
1.1 試劑和儀器
試劑：FeCl3，F(xiàn)eCl2，NH3·H2O，NaOH，(NH4)2CO3。
儀器：水浴鍋，磁力攪拌器，超聲波發(fā)生器，電動攪拌器，水熱反應釜。
1.2 納米Fe3O4粒子的制備
制備Fe3O4粒子的基本反應式[4]為：
其過程簡單歸納為以下幾步。首先將FeCl3和FeCl2按一定的摩爾比R溶解于蒸餾水中，攪拌均勻，在水浴鍋中加熱到60℃并恒溫，將堿快速滴加到混合液中并同時攪拌，至溶液pH為6.5左右，再緩慢滴加堿調(diào)溶液pH到9～14的范圍，反應0.5h，制得Fe3O4粒子的前驅(qū)物。將納米Fe3O4粒子的前驅(qū)物轉(zhuǎn)入到水熱反應釜中的聚四氟乙烯燒杯中，設置好反應溫度t及反應時間 ，加熱反應釜進行反應。反應完后將產(chǎn)物用蒸餾水洗滌，用強磁鐵來沉降，倒去上層清液，重復4～5次，洗至清液的pH值為7左右。取出一部分沉淀在溫度為60℃的真空干燥器中干燥10h，得干燥的納米Fe3O4粒子，以便計算濕潤的Fe3O4粒子的含水量和進行物相的檢測。
1.3 磁流體的制備
將一定量的濕潤Fe3O4加入到含分散劑（油酸鈉和聚乙二醇的混合液）的熱水溶液100mL中，邊攪拌邊用超聲波分散，反應1h，即得磁流體。調(diào)整實驗條件，制備出在重力場和磁場中穩(wěn)定的水基磁流體。
1.4 樣品性能表征
用X射線衍射（XRD）檢測干燥的納米Fe3O4樣品的物相；用Malvern2000粒度儀測納米Fe3O4樣品的粒度和比表面積以及水基Fe3O4磁流體體系的粒度；用磁天平測納米Fe3O4粉末的磁性能。
2 結(jié)果與討論
影響水基Fe3O4磁流體性能的主要因素有兩方面：一是Fe3O4粉末的性能，二是Fe3O4粉末在水中的分散情況。
2.1 影響Fe3O4粒子性能的因素
由于Fe3O4粒子的制備反應過程很復雜，我們設計三水平四因素L9(34)正交實驗表進行實驗，將所得產(chǎn)物進行粒度、磁性和組分的定性分析，以此來確定影響因素。表1為正交因子表，表2、表3為正交實驗及分析結(jié)果。其中R為Fe3+/Fe2+的比值，t為水熱反應溫度，為反應時間，N為堿的種類。
表中d、σs分別為Fe3O4粒子的平均粒徑、飽和磁化強度。由表3結(jié)果的極差分析可確定各因素對結(jié)果影響的主次：影響平均粒徑因素大的是時間 ，其次分別是Fe3+/Fe2+的比值R和反應物堿的種類N，影響小的因素是溫度t；影響飽和磁化強度因素大的是時間 與Fe3+/Fe2+的比值R，其次是溫度t，影