离子型磁性液体稳定性的提高及体积分数测定

白浪

（攀枝花学院材料工程学院，四川攀枝花617000）

离子型磁性液体稳定性的提高及体积分数测定

白浪

（攀枝花学院材料工程学院，四川攀枝花617000）

研究了离子型磁性液体的制备过程，通过重力沉降和离心处理来提高磁性液体的稳定性。样品处理前后的TEM图像和粒径分析表明，离心处理可以有效去除离子型磁性液体中大微粒和团聚体，改善粒径分布的多分散性，使其长期稳定存在。通过密度的测量分析表明，Fe（NO3）3处理后的CoFe2O4纳米微粒表面包裹有极薄的抗酸蚀层，微粒的形貌、粒径无明显变化，利用蒸干法可以准确确定水基离子型磁性液体的体积分数。

离心；稳定性；密度；蒸干法

磁性液体是由纳米级磁性微粒稳定的悬浮于液体（基液）中形成的胶体体系［1］。它是一种液态磁性功能材料，既具有固体的磁性，又有液体的流动性，在密封、电力、电子和医疗等众多领域中有着广泛应用［1-2］。

磁性液体中纳米微粒粒径小，比表面自由能高，可通过两种方式防止自发团聚，（1）微粒吸附表面活性剂，利用表面活性剂的空间位形排斥作用达到抗团聚（表面活性剂型）；（2）微粒表面带上同种电荷，利用同种电荷之间的静电排斥力以达到抗团聚（离子型）。在磁性微粒制备过程中，存在预团聚体和部分大颗粒［3-4］，其布朗运动不能抵消重力沉降作用，因而制成的磁性液体放置一段时间后产生沉淀，导致磁性液体的稳定性不够。静置一段时间除去沉淀后，所得样品体积分数φV（磁性液体中磁性微粒的体积与磁性液体的体积之比）也无法确定。本文提出了改进离子型磁性液体的制备过程，找到提高磁性液体稳定性和准确确定体积分数的方法。

1 实验部分

将FeCl3，Co（NO3）2，NaOH按比例混合加热至沸腾并持续搅拌，沸腾5分钟后取下，得到沉淀物即CoFe2O4磁性纳米颗粒，反应方程为∶

X射线衍射分析表明，生成的纳米微粒成份为CoFe2O［5］

4。将CoFe2O4纳米颗粒倒入沸腾的Fe（NO3）3溶液中，进行表面处理形成抗酸蚀层。冷却后，将沉淀物用丙酮脱水，自然干燥后研磨成细粉。将一定质量的粉末与一定体积、一定浓度的稀硝酸溶液混合振荡，H+吸附于微粒表面形成带电层［6］，即制成初始体积分数为2%的离子型磁性液体。

样品静置两天，去除底部沉淀物后作为样品1，取部分样品1放高速离心机内，在10000 rad/min的速度下进行离心处理5分钟后，去除沉淀物后得到样品2。

取一定体积样品2于烧杯中，加热直至水分完全蒸发后置于干燥缸中冷却2小时。称量干燥粉末质量，重新确定样品2体积分数。将样品2加水稀释制成体积分数为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的磁性液体。

用电子显微镜对离心处理前后的样品拍取多张不同视场的照片进行形貌测量；用密度瓶测出室温（18℃）下基液及体积分数0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%水基CoFe2O4离子型磁性液体密度。

2 分析讨论

2.1 TEM分析

用透射电子显微镜（TEM）分别对离心处理前后的样品拍取多张不同视场的照片如图1所示，可以看出，纳米微粒大小不一，粒径基本在5～40 nm之间，可近似看作球形。研究表明，磁性液体粒径分布满足对数正态分布［7-8］∶

图2为样品1和样品2实验测得数据点与计算得出粒径分布曲线图。可以看出，离心前后样品实验数据点与粒径分布曲线基本吻合。离心处理后，样品中粒径大于14.54 nm的部分微粒数目占总粒子数比例减小，粒径小于14.54 nm部分的微粒所占比例增加。但在5 nm附近离心后样品粒子数比例小于未离心样品，这可能是实验中该部分粒子数很少，统计误差所致。

从图2整体图形上看，离心处理后的磁性液体的粒径分布更为集中，范围更窄。结果表明∶经离心处理后磁性液体中部分大微粒和大团聚体被分离出来，平均粒径减小，达到了优化离子型磁性液体稳定性的目的。

2.2 密度测量与体积分数测定

体积分数是影响磁性液体物理性能和实际应用的重要参数，准确确定体积分数对于磁性液体研究有着十分重要意义。经重力沉降和离心处理后的磁性液体稳定性提高，但其体积分数发生变化，需要重新确定，本文提出了蒸干法确定体积分数。取V体积样品2于烧杯中，加热水分完全蒸发后置于干燥缸中冷却2小时。称量干燥粉末质量为m，则样品2体积分数为∶

式中，ρc为CoFe2O4密度5.291 g/cm3。

研究表明，磁性纳米微粒在Fe（NO3）3溶液中进行表面抗酸蚀处理时，微粒表面会出现Fe、N、O组成的物质［9］，该物质包裹在微粒表面，形成非磁性的抗酸蚀层，但对该层的厚度研究还未见报道。非磁性层会导致蒸干法所确定的体积分数产生误差，为确定其影响，可通过磁性液体的密度进行讨论。

表2为不同体积分数的水基CoFe2O4离子型磁性液体密度实验数据，作出密度与体积分数关系如图3所示。可以看出，密度与体积分数呈正比关系，用最小二乘法拟合出二者关系式为∶

磁性液体蒸干后剩余物质为CoFe2O4以及其表面包裹层Fe（NO3）3，离心处理后的微粒粒径分布较窄，可近似用体积平均粒径¯xV表示。设单个微粒Fe（NO3）3层体积为Vs，密度为ρs=1.68 g/cm3内核CoFe2O4体积为Vc单个颗粒的平均密度为∶

则磁性液体密度与体积分数的关系为∶

式中，ρl为基液密度，由式（1）和式（3）可得∶

设表面包裹层平均厚度为δ，内核CoFe2O4直径为，计算可得δ=2.07×10-11m。

根据计算结果可以看出，Fe（NO3）3包裹层体积仅占微粒总体积的0.9%，其厚度极薄，表明表面层的存在对微粒的形貌、粒径影响极小，因此，在蒸干法中用CoFe2O4的密度作为微粒密度确定磁性液体的体积分数是准确的。

3 结论

通过上述实验和分析可得出如下结论∶

（1）重力沉降和离心处理可以去除磁性液体中粒径较大微粒和团聚体，使粒径分布更集中，分布曲线变窄，平均粒径减小，提高了磁性液体稳定性。

（2）Fe（NO3）3处理后的CoFe2O4纳米微粒表面包裹有极薄的抗酸蚀层处理后微粒的形貌、粒径无明显变化。

（3）用蒸干发可以准确确定水基离子型磁性液体的体积分数。

［1］李建'赵保刚.磁性液体—基础及应用［M］.重庆:西南师范大学出版社'2002.

［2］李德才.磁性液体理论及应用［M］.北京:科学出版社'2003.

［3］白浪'于娟.CoFe2O4磁性液体冰冻前后的磁性［J］.科技导报'2010'17:54-57.

［4］Taketomi S'Drew R V.Peculiar magnetic afterefftct of highly diluted frozen magnetic fluids［J］.J.Magn.Magn. Mater.'2006'307:77-84.

［5］白浪'于娟.水基CoFe2O4离子型磁性液体体系粒径研究［J］.磁性材料及器件'2012(6）:29-33.

［6］Massart R.Preparation of aqueous magnetic liquids in alkaline and acidic media［J］.IEEE Transactions On Magnetics'1981'17:1247-1248.

［7］Moumen N'Veillet P'Pileni M P.Controlled preparation of nanosize cobalt ferrite magnetic particles［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials'1995'149:67-71.

［8］Popplewell J'Sahnini L.The dependence of the physical and magnetic properties of magnetic fluids on particle size［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials' 1995'149:72-78.

［9］王安蓉'李建'王跃.经Fe(NO3）3处理的Fe3O4纳米微粒分析［J］.分析测试学报'2006(6）:35-38.

Improvement of Stability and Measurement of Volume Fraction of Ionic Ferrofluids

BAILang
（Department of Material Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China）

The preparing process of ionic ferrofluids is researched，and the stability of ferrofluids is improved by sedimentation and centrifugation.It can be concluded from TEM photograph and size analysis that the aggregation and big particles can be removed by centrifugation，and the polydispersity of particles size distribution can be improved，therefore the ionic ferrofluids can exist stably for long time.The density of ferrofuids is measured and analyzed，the results show that after Fe（NO3）3treated，CoFe2O4has been coated with a very thin antiacid layer，the shape and diameter distribution of particles are not change obviously.The volume fraction of ionic ferrrofluids based on water can be determined accurately by evaporation.

centrifugation；stability；density；evaporation

O414

A

1673-1549（2014）01-0012-04

10.11863/j.suse.2014.01.04

2013-08-26

白浪（1981-），男，四川德阳人，讲师，硕士，主要从事磁性纳米材料方面的研究，（E-mail）279832660@qq.com