Fe3O4水基磁性液体的制备及性能研究

2021-03-12李占贤

南方农机 2021年5期

闫东，李占贤

（1.华北理工大学机械工程学院，河北唐山 063210；2.河北省工业机器人产业研究院，河北唐山 063210）

0 引言

磁性液体通常情况下有以下三部分构成：磁性颗粒、表面活性剂和基载液[1]。在没有外界磁场的情况下，磁性颗粒处于无序运动状态，此时磁性液体的特性同基载液的特性类似，表现为流动性；而当存在外界磁场时，磁性颗粒被磁化，磁性液体表现为磁性。用于制备磁性液体的磁性颗粒主要分为以下三类：第一类是金属颗粒及其合金颗粒，例如Fe、Ni、Co等，这种磁性颗粒的稳定性较好，饱和磁化强度较高，但是当长时间和空气进行接触后，很容易发生氧化反应，影响磁性液体的性能[2]；第二类是金属氧化物及铁氧体，例如Fe3O4，这种磁性颗粒的稳定性最好，虽然饱和磁化程度一般，但是制备较为简单，适合实验室制备和使用；第三类是氮化铁颗粒，此类磁性颗粒在制备磁性液体的过程中很容易产生不稳定反应，影响最终的稳定性。磁性液体在密封、磁悬浮、抛光、生物医学等方面有着广泛的应用[3-6]。

本实验采用Fe3O4作为磁性颗粒，水作为基载液制备磁性液体，制备方式为高速机械搅拌法，通过改变磁性颗粒制备出沉淀率较低、性能稳定的Fe3O4水基磁性液体。

1 实验

1.1 实验材料

磁性颗粒在很大程度上影响了磁性液体的磁学性能。通常情况下要求磁性颗粒具备很好的导磁率，饱和磁化强度较高的特点，因此选择微米级别的羰基铁和纳米级别Fe3O4颗粒制备磁性液体。磁性液体的流动性主要受到基载液粘度的影响，本研究选择10nm~20nm铁粉、100μm~200μm铁粉、10nm~20nm铁粉和10nm~20nm羰基铁粉作为磁性颗粒、纯净水作为基载液。选择钠基膨润土作为添加剂。

1.2 实验步骤

将水倒入水浴锅中并放置好装有纯净水的烧杯，进行恒温加热，当温度稳定为30℃后，将烧杯中加入2%钠基膨润土，在加入钠基膨润土的过程中，少量、缓慢的进行添加，同时，使用玻璃棒不断进行搅拌，在添加完成后进行搅拌机的搅拌，搅拌时间为1h。钠基膨润土搅拌完成后再加入磁性颗粒，与加入膨润土的方法一样，少量、缓慢的进行添加，添加过程中使用玻璃棒进行搅拌，之后使用搅拌机进行搅拌，搅拌时间为2h。时间完成后，将烧杯取出，并进行冷却，待冷却至室温时即可。在制备过程中需要严格控制加入颗粒的含量和搅拌时间等，确保实验的科学性和严谨性。

实验制备得到10nm~20nm铁粉、100μm~200μm铁粉、10nm~20nm铁粉和10nm~20nm羰基铁粉三种磁性颗粒的磁性液体，分别标号为1号、2号、3号。

1.3 Fe3O4水基磁性液体的性能测试

实验的测试设备为振动样品磁强计，型号为LS7307-9309，可以对制备出的磁性液体进行磁化强度的分析和测试。

振动样品磁强计的基础原理为电磁感应定律，VSM通过将样品的表面进行磁化，产生磁荷，在测试的过程中，样品的内部产生退磁场，通过对样品进行微小振动从而产生电动势的方法来进行磁化强度的测量和记录。

2 实验结果与讨论

2.1 沉降稳定性

三种磁性液体的沉降性如表1所示。由表可知，三种样品的沉降率均不高，未超过16%。表明其均具备较好的沉降稳定性。1号样品无分层现象，但磁性较弱，饱和磁化程度较低；2号样品的磁性较强，但分层现象较为明显，稳定性不高；3号样品无分层现象，同时磁性较强，性能优良。因此对3号样品进行磁化强度的测试与分析。

表1 样品沉降率表

2.2 VSM测试及分析

图1为所制得磁性液体的磁滞回线，由图1可知，当H=0时，B=0，此时说明磁性液体不存在残留磁感应强度的现象，即磁性液体的矫顽力为0，磁性液体具有良好的超顺磁性，这表明，所制备的磁性液体中磁性液体颗粒主要为单磁畴小颗粒，多磁畴大颗粒含量较少。从曲线中可以得知，曲线稳定后，其饱和磁化强度为11.75emu/g。