Fe3O4磁流体的制备方法及其应用

张海霞

【摘 要】本文综述了近年来Fe3O4磁流体的制备方法，如化学共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热合成法等研究进展，并比较了各种方法的特点；同时，对Fe3O4磁流体在密封技术、污水处理以及磁热疗等方面的应用及发展趋势进行了论述，以期待对Fe3O4磁流体的制备及应用有较全面的了解。

【关键词】Fe3O4；磁流体；制备方法；应用

磁流体，也称磁性液体，一般由加入表面活性剂包覆的磁性颗粒（直径约为10nm）分布于基液中而形成的胶体溶液。由于Fe3O4纳米粒子具有饱和磁化强度高等特点，故常用作磁流体的磁性粒子，并将其制成磁性液体（即磁流体），它既有固体的强磁性又有液体的流变性，其流动性和分布可由外加磁场实施定向和定位控制，因此在机械、环保、医疗、仪表、环保等方面有广阔的应用前景。本文就磁流体的制备及应用进行概述，以期待为今后的研究应用提供参考。

1 磁流体的制备

目前制备Fe3O4磁流体的方法很多，如工艺较为成熟的共沉淀法，研究比较多的溶胶-凝胶法、水热合成法等，下面将对各种方法的研究进展进行论述。

1.1 化学共沉淀法

向含有一种以上的阳离子的溶液中添加沉淀剂，将所有的阳离子都沉淀出来的方法叫做共沉淀法。化学共沉淀法是目前制备Fe3O4颗粒最常用的方法之一，该方法是以Fe2++2Fe3++8OH-=Fe3O4+4H2O基本原理进行的，通常是将Fe2+和Fe3+溶液以一定的比例混合，在一定pH值和温度下，加入沉淀剂，形成不溶性的水合氧化物从溶液中析出，然后加入表面活性剂，提高颗粒的分散性。成本低廉、操作简单、易于大规模生产的共沉淀法被广泛的采用。但此方法，容易产生团聚而发生沉降，导致溶液磁响应性和稳定性下降。为了制备出粒径均一，磁相应性强且性能稳定的磁流体，武汉理工大学化学工程学院徐海星等对工艺进行了优化，通过对磁流体进行表征。结果表明，所制备的磁流体具有超顺磁性，粒径约为16nm，饱和磁化强度在73.8emu/g以上。总的来说，化学共沉淀法反应条件温和、操作简单的共沉淀法，极易推广和实现，是制备磁流体的主要方法。

1.2 溶胶-凝胶法（sol-gel）

溶胶-凝胶法是将金属有机或无机化合物经溶液制成溶胶，在一定条件下（如加热）脱水，使具有流动性的溶胶逐渐变稠，成为略显弹性的固体凝胶。这种方法能够比较严格地区分晶体结晶成核和生长，避免晶粒在生长过程中的大量聚沉现象，从而获得单分散的纳米颗粒。溶胶-凝胶法的优点是能够保证严格控制化学计量比，制备过程产物纯度高、能耗相对较低、分散性好、粒径均匀等优点，因而得到了广泛的应用。但其所用原料多为有机物，尤其是其金属醇盐毒性较大，且价格昂贵，而且其产量受到限制且成本较高。东南大学分子与生物分子电子学教育部重点实验室周洁等在水溶液体系中用溶胶凝胶的方法通过改变各反应物的浓度制备不同尺寸的Fe3O4磁性颗粒。

1.3 水热合成法

水热合成法是在密闭容器中，以水为介质在高温高压下反应合成物质，然后进行分离和热处理得到纳米微粒。水热反应是在高温高压条件下进行的，因而能够促进水解反应的进行，水作为溶剂也会参加反应，既是膨化促进剂也是压力传递介质。纳米Fe3O4的磁性取决于它的尺寸和形状，因此控制颗粒的形状尺寸就显得非常重要。采用水热法制备的单晶结晶度高，高结晶度的纳米Fe3O4的合成通常采用水热法。上海理工大学理学院李文烈等采用水热法制备出水基Fe3O4@PFR磁性纳米流体，对其进行表征。结果表明，在室温下表现超顺磁性，Fe3O4@PFR磁性纳米流体具有很好的稳定性和生物相容性。水热合成法容易制得结晶度高的单分散超顺磁性纳米颗粒，但是该方法受表面活性剂的影响比较大，且水热合成法的成本也比较高。

1.4 其他方法

除了以上几种常用的制备方法外，人们还研究开发了一些其他制备Fe3O4磁流体的方法，如微乳液法、相转移法、有机模板法，回流法等。随着研究的进一步深入，将会出现更多新颖的Fe3O4磁流体的制备方法。

2 磁流体的应用

2.1 密封技术

由于磁流体既有流动性又具有磁性，可在磁场作用下移动，并能固定于某个特定的位置，因此在一些特殊的密封和润滑过程中，Fe3O4磁流体有着不可取代的作用。兰州理工大学磁物理与磁技术研究所娄磊等介绍了离心泵旋转轴的磁流体密封技术，结果表明：随磁流体量的增加和磁极极数的增多而提高，但当磁流体量超过临界值和极数超过5极后，磁流体密封的承压能力保持在某一恒定值。

2.2 污水处理

随着工业化的快速发展，随之带来的水污染越来越严重，特别是水体中的金属离子、难降解有机污染物等，处理后不易分离，如果采用磁性的吸附材料就能比较容易地进行分离。东华理工大学应用化学系刘峰等采用共沉淀法制备了粒径为10nm的Fe3O4磁性微粒，用此磁流体对模拟与实际废水中的Cr（Ⅵ）进行了吸附研究。结果表明，在最佳实验条件下，磁流体对实际废水中Cr（Ⅵ）的饱和吸附量达66.5mg/g，废水中残留Cr（Ⅵ）浓度为0.2mg/L，低于工业废水排放的国家标准（0.5mg/L）。

2.3 磁热疗

热疗是利用超顺磁性Fe3O4纳米晶能有效将磁场振动能转化为热能这一特点，从而升高肿瘤组织的温度来杀死病变细胞。昆明医学院第一附属医院生物治疗中心王露芳等观察磁流体在交变磁场中的升温行为并探讨其作为热疗介质应用于小鼠胰腺癌细胞的热疗效应。结果表明：肿瘤治疗用磁流体可以在交变磁场中产热，通过改变磁流体浓度可进行温度控制。

3 结语

由于纳米Fe3O4颗粒粒径较小，比表面积大，且本身又具有磁性，容易发生团聚，这一直是Fe3O4磁流体制备过程中存在的最大问题。随着我国对合成新材料的迫切需求，对纳米Fe3O4磁流体的开发提出了更高的要求，如何制备粒径可控且分布均匀的磁性纳米Fe3O4微粒依然是今后研究的热点与重点；同时，纳米Fe3O4磁流体的应用性研究也极为重要。

[责任编辑：汤静]