不同油酸加入量的纳米磁粉对磁性流体的性能影响

2012-06-27布和巴特尔迟佳龙

化学工程师 2012年12期

黄波，布和巴特尔，迟佳龙

（黑龙江省化工研究院，黑龙江哈尔滨 150078）

纳米四氧化三铁（Fe3O4）磁性液体是目前磁性液体研究的热点之一，其磁性颗粒的制备技术已十分成熟，其中化学共沉淀法因具有操作简便、成本低、对设备要求不高等优点，是目前制备磁性颗粒最常使用的方法[1，2]。由于磁性流体的工作介质是纳米Fe3O4，它的磁学性能直接影响到所制备的磁性流体的物理性能，因此，研究纳米Fe3O4的表面修饰，就显得非常重要。本文中采用化学共沉淀法制备纳米Fe3O4，并通过机械球磨的方法，经表面活性剂表面处理磁性颗粒，制备稳定分散的纳米Fe3O4矿物油基磁性液体[3]。并研究了表面活性剂含量对磁性液体粘度、高温性能、磁饱和强度、表面修饰等性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

FeCl3·6H2O；FeCl2·4H2O；NH3·H2O；甲醇；HCl；油酸；二立脱矿物油；聚醚类表面活性剂。

501A型恒温器；搅拌器；晶体形貌通过JEM 1230透射电镜TEM（日本电子株式会社）测定；样品的磁性通过JDM 13型振动样品磁强计测定；粘度通过NDJ-1型旋转粘度计进行测定；高温性能通过型控温烘箱进行测定。

1.2 Fe3O4 磁粉的制备[4，5]

（1）称取 50g FeCl3·6H2O 与 20g FeCl2·4H2O，分别用100mL的蒸馏水完全溶解。溶解后将这两种溶液在搅拌速度50r·min-1，温度40℃条件下混合。

（2）在 500mL烧杯中放入 200mLNH3·H2O，在快速搅拌条件下将上述混液注入。持续搅拌10min后迅速升温至90℃，根据实验要求分别加入0、5、10、15、20mL油酸。控制pH值为12，连续搅拌60min。

（3）利用离心机将磁粉与溶液分离，再依次用蒸馏水（清洗3次）、甲醇（清洗2次）进行清洗。后在50℃烘箱中烘干，以备下步实验使用。

1.3 磁性流体的制备

（1）称取20g相应的Fe3O4磁粉，将其放入100mL烧杯中，注入50mLC6H12，搅拌、升温，温度升至90℃后持续搅拌10min，得到溶液A。

（2）在溶液A中加入聚醚类表面活性剂，在温度为50℃条件下，搅拌10min。得到溶液B。

（3）然后称取50g二立脱矿物油，在搅拌条件下缓慢注入溶液B中。同时升温将C6H12完全蒸发，得到磁性流体粗品，再经过球磨、沉降、离心，最终得到满足实验要求的磁性流体。

2 测试与分析

2.1 TEM分析

使用JEM 1230透射电镜TEM（日本电子株式会社)对实验中制备的磁粉粒径进行分析。

图1 不同油酸加入量磁粉的TEM电镜图Fig.1 TEM electronmicroscope ofmagnetic powder by differentamountof oleic acid addition

从图1可以看出，随着油酸加入量的不断增加，磁粉粒径不断减小，这是由于随着油酸加入量的不断增加，油酸对磁粉的表面包覆程度趋于饱和，磁粉表面包覆的表面活性剂使得磁粉粒子的表面电势增加，带同号电荷的粒子间产生了静定排斥作用，使得磁粉的粒径不断减小。但是当油酸加入量达到15%时，磁粉粒径反而增大，这是由于当磁粉与油酸包覆达到饱和，多余的油酸粒子以游离的形式存在于溶液中，磁粉表面包覆的表面活性剂疏水基与溶液中的表面活性剂发生疏水作用形成胶团了，进而使多个磁粉粒子形成了大粒径的磁粉胶团粒子，从而造成了磁粉粒径的变大。

2.2 磁性流体粘度分析

使用NDJ-1型旋转粘度计对各个样品的粘度进行测定，并绘制粘温曲线。

图2 不同油酸加入量磁粉所制备的磁性流体粘温曲线Fig.2 Viscosity-temperature curve ofmagnetic fluid preparation bymagnetic powder adding to differentamount of oleic acid

从图2可以看出，随着Fe3O4磁粉油酸加入量的增加，使得所制备的磁性流体的粘度不断降低，这是由于随着油酸加入量的不断增加，Fe3O4粒子表面的包覆程度不断增加，从Fe3O4TEM电镜中可以看出，磁粉的粒径愈来愈小，随着磁粉粒径的不断减小，使得磁性流体体系的粘度也随之减小。但是当油酸加入量达到20%时，磁性流体体系的粘度突然大幅度降低，这是由于随着磁粉油酸加入量的不断增加，当磁粉与油酸表面包覆达到饱和后，多余的油酸以游离形式存在于磁性流体体系中，由于油酸是一种很好的润滑剂，从而降低了磁性流体体系整体的粘度。

2.3 磁性流体磁饱和强度分析

使用JDM 13型振动样品磁强计对各个样品的磁饱和强度进行测定，振动样品磁强计0～10000 Oe区间内测定，数据绘制磁化曲线图见图3。

图3 不同油酸加入量磁粉所制备的磁性流体磁化曲线Fig.3 Magnetization curve ofmagnetic fluid preparation by magnetic powder adding to different amountof oleic acid

从图3可以看出，随着磁粉油酸加入量的不断增加，相对应磁粉所制备的磁性流体磁饱和强度也不断增加，但是当磁粉油酸加入量达到15%时，磁性流体的磁饱和强度反而降低。结合图1（不同油酸加入量磁粉的TEM电镜图）可以看出，随着磁粉油酸加入量的不断增加,磁粉粒径不断减小，磁粉比表面积不断增加，这就使得磁粉在磁性流体体系中与载液的结合更加紧密，磁性流体体系更加平衡、稳定。但当磁粉油酸加入量达到15%后，磁粉粒径变大，造成磁粉比表面积降低，破坏了磁性流体系统的平衡，降低了其稳定性。从而使得磁性流体在高磁场条件下发生磁液分离现象，造成磁性流体中磁粉含量降低，进而降低了磁性流体的磁饱和强度。

2.4 磁性流体高温性能分析

将所制备的磁性流体放入2×2cm的称量瓶中（加入量为瓶体积的1/3），放置于烘箱中，烘箱温度设置为200℃。持续加热25h，各个磁性流体样品无胶化现象，计算个样品的挥发损失量，结果见表1。

表1 不同油酸加入量磁粉所制备的磁性流体高温挥发损失量Tab.1 High temperature volatilization loss ofmagnetic fluid preparation bymagnetic powder adding to differentamount of oleic acid

从表1可以看出，随着磁粉中油酸加入量的不断增加，所制备的磁性流体在高温下的挥发损失量不断减小。根据润滑油手册，在润滑油体系中，金属氧化物常作为润滑油破坏介质存在，随着油酸对Fe3O4纳米粒子表面包覆程度的不断增加，使得Fe3O4粒子与润滑油的接触界面不断减少，抑制了Fe3O4粒子对润滑油的破坏作用，从而降低磁性流体的整体挥发损失量，提高了磁性流体的高温性能。但是当磁粉的油酸加入量达到20%时，其高温挥发损失量反而增加，高温性能变差。这是由于当油酸对Fe3O4表面包覆达到饱和后，剩余的油酸粒子以游离的形式存在于磁性流体中，油酸的熔点为180℃，在温度200℃条件下，油酸发生碳化焦化，进而破坏磁性流体体系的稳定，使得Fe3O4粒子表面裸露，引起磁性流体的高温性能降低。