外磁场诱导Fe3O4 颗粒制备装置设计优化及不同形貌纳米Fe3O4 颗粒制备

胡大为

（广东芬芳陶瓷有限公司, 广东广州510641）

纳米颗粒材料的性能不仅取决于化学成分，还与颗粒的结构和形貌密切相关[1]，并有可能直接决定其应用性能[2]，因此，纳米颗粒材料制备过程中的结构和形貌控制研究，成为材料科学研究的前沿之一。根据晶体的生长动力学原理，纳米颗粒的形成过程是高度的动力学驱动过程，纳米晶粒会朝着具有最低能量的形状方向生长。Fe3O4具有亚铁磁性，属立方反尖晶石结构，结构中氧原子形成紧密堆积，铁原子分布于四面体和八面体空隙内，形成初始的Fe3O4四方体晶核以后，实验条件的改变，可为Fe3O4晶核创造不同的生长环境，改变颗粒的生长动力学状态，进而得到不同形貌的Fe3O4纳米颗粒。本研究通过优化设计磁场诱导氧化共沉淀法制备纳米Fe3O4颗粒的装置，并通过调节弱外磁场和改变反应条件相结合的方法，制备得到不同形貌的纳米Fe3O4颗粒。

1 外磁场诱导氧化共沉淀法制备纳米Fe3O4 颗粒装置设计优化

本研究中，采用自行设计的基于弱外磁场辅助氧化共沉淀法制备纳米Fe3O4颗粒的反应器，制备不同形貌的纳米Fe3O4颗粒，为能实现反应器内磁场分布均匀，本研究中采用Ansys 软件，对反应器进行建模和有限元分析，分析反应器内磁场的分布情况与反应器尺寸、外加电磁场线圈大小等设计参数的关系，优化反应器的设计参数[3]。

1.1 反应器的设计

根据试验的要求，设计反应器如图1 所示。

图1 弱外磁场辅助纳米Fe3O4 颗粒合成装置简图Fig.1 Schematic diagram of a synthesis system with an assistance external magnetic field

1.2 Ansys 电磁分析方法

利用ANSYS/Emag 或ANSYS/Multiphysics 模块中的电磁场分析功能，ANSYS 可分析计算设备的电磁场分布情况。ANSYS 电磁场分析以Maxwell 方程组作为电磁场分析的出发点，其利用有限元方法计算未知量（自由度），主要是磁位或通量，然后由这些自由度导出其他的物理量。根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS 计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量。

1.3 Ansys 建模

根据设计的反应器结构简图，运用Ansys 软件对反应器进行简化，建立有限元分析模型，如图2 所示。

图2 反应器的Ansys 分析简化模型Fig.2 Ansys analysis simplified model of the reactor

1.4 反应器尺寸优化设计

1.4.1 反应器高度对反应器内磁场分布的影响

由于试验所采用的磁场为两块相叠电磁铁所提供，其磁力线空间分布会受到电磁铁之间的空间距离的影响，为保证反应器内磁力线的分布尽量平行，本研究中对反应器内部高度为150mm、120mm 和100mm 进行Ansys模拟分析。具体步骤如下：

（1）对建立的模型进行网格划分，网格划分结果如图3 所示。

图3 模型网格划分Fig.3 Model meshing

（2）对模型施加边界条件后，进行反应器静态磁场分析，通过Ansys 软件计算分析后，得到不同反应空间高度的磁力线分布图，如图4 所示。

图4 反应器内部不同高度时的磁力线分布Fig.4 Magnetic force lines distribution at different reactor inside heights

从图4 中可以看出，随着反应器内部空间高度的减小，磁力线在反应器内部的分布越接近平行分布，反应器内的磁场强度分布也相对越均匀。根据模拟分析的结果和实际操作过程中的需要，本研究中设计反应器内部空间的高度定位100mm。

1.4.2 电磁铁直径对磁力线分布的影响

由于电磁铁的边沿磁力线密集，因此，电磁铁的直径大小将对空间磁力线的分布产生较大影响。本研究中对电磁铁直径为130mm、110mm 和100mm 进行Ansys模拟分析。具体结果如图5 所示。

图5 不同直径大小电磁铁对反应器内部磁力线分布的影响Fig.5 Impact of electromagnet diameters on magnetic force lines distribution inside of the reactor

从图5 中可以看出，随着电磁铁直径的缩小，反应器内部的磁力线集中区域越多，导致磁力线分布越不均匀。本研究中根据模拟分析的结果和实际操作需要，选定电磁铁的直径为130mm。综上所述，根据分析结果优化本研究中设计的合成反应器，确定反应器的参数为：反应器内部高度100mm、电磁铁直径130mm、反应器内部直径109mm。

2 不同形貌纳米Fe3O4 颗粒制备

2.1 实验原料及主要仪器设备

主要原料为：FeCl2（AR，广东台山粤侨试剂塑料有限公司），NaOH（AR，天津市百世化工有限公司），H2O2（AR，天津市百世化工有限公司）。

主要仪器设备：电磁线圈（自制），可调速搅拌机（IKA LABORTECHNIK Corp.），恒温水浴（上海锦屏仪器仪表有限公司），高精度直流稳压电源（香港龙威仪器仪表有限公司）。

2.2 实验步骤

典型步骤 如 下：将100mL 2mol·L-1的NaOH 溶 液置于有机反应容器中，水浴加热至预定温度70℃，在氮气保护下，将100mL 一定浓度的FeCl2溶液，以5 mL·min-1的速度，匀速滴入到NaOH 溶液中，边滴加边搅拌，滴加完毕后，充分搅拌5min，得到灰绿色的Fe(OH)2悬浊液。开启电磁线圈产生磁场，然后将化学计量的H2O2溶液，以1 mL·min-1的速度，匀速滴入于上述悬浊液中，滴加完后，使体系保持反应一定时间3h，得到黑色悬浊液，采用永磁铁进行磁分离后，所得黑色沉淀，用脱氧水洗涤5 次后于80℃下真空干燥24h得到试样。

2.3 不同形貌纳米Fe3O4 颗粒的制备

参照Hu 等[4-5]的控制方法，本研究中合成制备出具有六方片状形貌、正八面体形貌和无规则形貌的纳米Fe3O4颗粒（如图6 所示）。

图6 不同形貌纳米Fe3O4 颗粒Fig.6 SEM images of Fe3O4 particles with various morphologies

3 结论

本文通过Ansys 磁分析工具，优化设计反应器尺寸，优化反应器空间磁场分布，设计了外磁场辅助氧化共沉淀法制备纳米Fe3O4颗粒的装置；通过调整操作参数，制备得到了具有六方片状、正八面体和无规则形貌的纳米Fe3O4颗粒。