论文磁性液体的制备和应用探讨.docx
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论文磁性液体的制备和应用探讨
宜宾职业技术学院
毕业论文
题目：
磁性液体的制备和应用探讨
系部现代制造系
专业名称材料工程
班级材料1092
姓名
学号
指导教师
2011年9月19日
宜宾职业技术学院
毕业论文选题报告
姓名
性别
学号
系部
专业
论文
题目
磁性液体的制备和应用探讨
课题来源
教学
课题类别
论文
选做本课题的原因及条件分析：
磁性液体是一种新型的功能材料，从被开发以来就一直备受关注，但其制备工艺复杂，耗时长。
而高性能磁性液体的制备难度大；成本高，制约开发应用，阻碍了磁性液体技术的发展。
所以缩短制备磁性液体的流程，提高产率，扩大应用领域。
是现在急需解决的课题，希望查阅资料来找出研究的瓶颈，同时也希望在学习和研究本科目后，能更好的定位自己。
内容和要求
内容：
1、磁性液体及制备方法
2、工作原理和应用范围
3、发展现状及发展前景
4、结论
要求：
1、论文格式规范
2、语言表达准确，概念清楚，论点正确
3、力求采用数据、图、表分析与文字表达相结合，做到图文并茂
指导教师意见
（签章）
年月日
系部毕业论文领导小组意见：
（签章）
年月日
宜宾职业技术学院
毕业论文成绩评定表
（一）
学生学号
学生姓名
题目
磁性液体的制备和应用探讨
指导教师
评语
指导教师
评定成绩
总分
总分×30%
指导教师签字
年月日
评阅
教师
评语
评阅教师评定成绩
总分
总分×30%
评阅教师签字
年月日
宜宾职业技术学院
毕业论文成绩评定表
（二）
学生学号
学生姓名
题目
磁性液体的制备和应用探讨
答辩小组
成员
姓名
任新民
张云程
陈华容
王自敏
谢瑞兵
职称
高级工程师
高级工程师
副教授
讲师
工程师
评价内容
具体要求
分值
评分
报告内容
思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论严谨；论文结果有应用价值。
40
答辩
回答问题有理论根据，基本概念清楚。
主要问题回答准确、有深度。
30
创新
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
10
综合素质
能合理运用挂图、幻灯、投影或计算机多媒体等辅助手段，用普通话答辩。
10
报告时间
符合要求。
10
总分×40%
总分
答辩小组评语：
答辩小组组长签字：
年月日
指导教师评定成绩
评阅教师评定成绩
答辩成绩
毕业论文综合成绩
百分制
五级制
毕业论文答辩委员会
审定意见
主任签字
年月日
学院意见
年月日
宜宾职业技术学院
毕业论文答辩记录表
学生姓名
学生学号
题目
磁性液体制备和应用探讨
答辩小组成员
姓名
职称
工作单位
备注
答辩中提出的主要问题及学生回答问题的简要情况：
答辩小组代表签字：
年月日
摘要
本文在介绍磁性液体概念的基础上，简要说明了磁性液体的组成、特性和分类，并介绍了不同类型磁性液体的制备方法；在分析说明了磁性液体的工作原理的同时，说明了磁性液体的应用领域，如密封、润滑,最后在注明磁性液体发展现状的基础上，结合科技发展前沿，讨论了磁性液体的应用前景。
关键词:
磁性液体；制备方法；应用领域；应用前景
ABSTRACT
Basedontheintroductionofmagneticfluidonthebasisoftheconcept,briefdescriptionsofthemagneticfluidcomposition,characteristicsandclassification,anddescribesthedifferenttypesofpreparationmethodofmagneticfluid;intheanalysisoftheworkingprincipleofmagneticliquidatthesametime,theapplicationofmagneticliquid,suchassealing,lubricating,finallyindicatemagneticliquidbasedonthecurrentsituation,combinedwiththedevelopmentofFrontierScienceandtechnology,discussestheapplicationprospectofmagneticfluid.
Keywords:
Magneticliquid;preparationmethod;application;applicationprospect.
.目录
引言1
1磁性液体及制备方法2
1.1磁性液体的概念2
1.2磁性液体的组成2
1.3磁性液体的分类3
1.4磁性液体的特性4
1.5磁性液体的制备方法5
1.5.1化学共沉淀制备铁酸盐磁性液体5
1.5.1.1活性磁粒子的制备6
1.5.1.2磁性液体的制备7
1.5.1.3磁性液体参数的测定7
1.5.1.4注意事项9
1.5.2气相一液相法制备氮化铁磁性液体10
1.5.2.1反应机理及工艺过程10
1.5.2.2检测结果12
1.5.2.3结果分析12
1.5.2.4创新性改进14
2磁性液体的工作原理及应用15
2.1工作原理15
2.2磁性液体的应用16
2.2.1工业上的应用16
2.2.1.1磁性液体（动态）密封16
2.2.1.2磁性液体研磨18
2.2.1.3磁性液体阻尼18
2.2.1.4磁性液体润滑18
2.2.1.5磁性液体在扬声器上的应用19
2.2.1.6磁性液体在分离技术方面的应用19
2.2.2磁性液体在医学上的应用20
2.2.3生物学上的应用20
2.2.4其他应用20
3发展现状及前景展望20
3.1磁性液体的发展现状20
3.2未来趋势及展望21
结论23
致谢24
参考文献25
引言
磁性液体自从上世纪6O年代中期问世以来，就以它成本低、能耗少、无污染和适用范围广等特点，一直受到人们广泛的关注。
目前磁性液体在各类科学研究和工程技术部门都产生新的变革，它的应用已深入到电子、化工、能源、冶金、仪表、环保、医疗卫生等许多方面，成为热门研发领域。
由于磁性液体技术含量高，制备工艺复杂，目前国际上对磁性液体的研究非常活跃，如现在国内外正积极研制的金属系磁性液体，其磁性颗粒为铁（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）等金属，合金及其氮化物。
近年来，磁性液体新的应用领域不断被发现，新的应用技术也不断被提出，如磁性纳米微粒（磁性液体）在医疗上特别在防治肿瘤等领域中的应用已经成为一个研究热点。
由于磁性液体技术的研究层次及其应用技术尚未成熟，使其应用领域的开拓受到了较大的限制，并制约了该产业的形成与发展。
对从事该方面研究的学者还有许多艰巨的工作要做。
目前我国社会各界对纳米磁性材料日益重视，在磁性液体技术的研究方面已经取得了一些突破，在国内也形成了几家产业化生产厂家，但与发达国家的应用水平以及磁性液体的潜在应用前景相比，还有很大的差距。
本文将对此行液体的制备方法进行介绍,同时在对其应用现状进行分析的基础上,探讨其应用前景。
1磁性液体及制备方法
1.1磁性液体的概念
磁性液体（MagneticLiquids），又称磁流体（MagneticFluids）、铁磁性流体（Ferromagneticfluids）、磁性胶体（MagneticColloids），具有液态载体的流动性、润滑性以及密封性。
它是由纳米级（10nm以下）的强磁性微粒高度弥散于某种液体之中所形成的稳定的胶体体系。
通常强磁性微粒选用Fe3O4，除此之外还可以是铁和氮化铁。
磁性液体中的磁性微粒必须非常小，以致在基液中呈现紊乱的布朗运动。
这种热运动足以抵消重力的沉降作用以及削弱粒子间电、磁相互凝聚作用，不产生沉淀和凝聚。
1.2磁性液体的组成
磁性液体（magneticfluid/Ferrofluid）的结构，是由单分子层（2nm）表面活性剂（surfactant）包覆的、直径小于10nm的单畴磁性颗粒高度弥散于某种载液（carrierliquid）中而形成的稳定“固-液”两相胶体溶液。
如图1-1所示。
磁性液体的组成如下：
图1-1磁性液体的组成
（1）纳米级磁性颗粒
磁性液体中的纳米磁性颗粒（magneticparticles）,如纳米级金属氧化物（Fe3O4）及铁氧体[COFe2O4、（Mn-Zn）Fe2O4等]、金属（铁、钴、镍及其合金）或铁磁性氮化铁[FeχN（2＜χ＜8）],这些磁性颗粒粒径非常小，以至于在液体中呈现出紊乱的布朗运动，这种热运动足以能够抵消重力的沉降作用和削弱粒子间的电磁凝聚作用，在重力和磁场力的作用下，始终稳定地分散在载液中，不凝聚也不沉淀。
（2）表面活性剂和载液
理想的表面活性剂，应该是那些永久地吸附在粒子界面上的表面活性剂，它的特殊功能在于它既能适应于一定的载液性质，又能适应于一定粒子的界面要求。
这样的表面活性剂必须具有特殊的分子结构：
一端有一个对磁性粒子界面产生高度亲和力的钉扎功能团，也称为“头”；另一端还需要有一个极易分散于某种载液中且有适当长度的弹性“尾”，在许多表面活性剂分子中,其“头”和“尾”通过醚键和铵键相连接。
不同载液的磁性液体要选用不同的表面活性剂，恰当的表面活性剂能防止磁性颗粒的氧化、削弱静磁吸引力、克服范德瓦耳斯力的颗粒聚集、改变磁性颗粒表面性质，使颗粒与载液浑成一体，在磁场力的作用下整体移动。
载液的种类很多，根据磁性液体用途的不同，一般分为极性液体和非极性液体，通常的载液有烃类、酯类、聚苯醚类、氟化碳类、硅油类、液态金属（水银、镓）、水、煤油等。
综上所述，对载液和纳米级磁性颗粒均具有钉扎作用的表面活性剂若选择适当，既能对磁性颗粒进行单分子层的包覆，又能和载液浑成一体，从而使得磁性液体既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，是一种性能独特、应用广泛的新型纳米液态功能材料。
它只有在外磁场作用下才显示出奇异特性，理想的磁性液体磁滞回线是一条过坐标原点的S形曲线，无磁滞现象。
磁性液体技术是一门涉及物理、化学、力学、流变学等多学科的交叉边缘学科，是材料科学中的一支新秀。
1.3磁性液体的分类
磁性液体可以按磁性颗粒、载液、应用领域、性能指标进行分类，最常用的是按磁性颗粒的种类进行的分类。
按磁性颗粒种类分为：
（1）铁酸盐系：
磁流体的超微粒子是铁酸盐系列，如Fe3O4、γ-Fe2O3、MeFe2O4（Me=Co，Ni）等；
（2）金属系：
磁流体的超微粒子选用Ni、Co、Fe等金属微粒及其合金（如Fe-Co，Ni-Fe）；
（3）氮化铁系：
磁流体的超微粒子选用氮化铁，因其磁性较强，故可获得较高的饱和磁化强度。
1.4磁性液体的特性
根据磁性液体所选基液的不同，磁液的主要物理性质有所差别，并且同一基液还可以适当调整其性能，通常其特性主要有：
（1）饱和磁化强度Ms
饱和磁化强度Ms（单位为Gs或T）表示磁性液体在外加磁场的作用下可产生的最强的磁性，一般为500～3000Gs（0.05～0.3T），但据有关资料，现在已经可以达到近10000Gs（1T）的磁性液体，饱和磁化强度是磁性液体应用技术中最为重要的一个技术指标。
（2）黏度η
黏度η（单位为cP）表示磁性液体的流动性能，是流体力学和流变学的重要参数，该指标会对磁性液体应用技术产生一定的影响。
（3）磁性颗粒直径D
磁性颗粒直径D（单位为nm）表示磁性液体的磁性颗粒的粗细程度，是影响四大效应（小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应）的根本因素，也是影响磁性液体稳定性、饱和磁化强度、热力学性能等的重要因素。
（4）挥发损失量Vt
挥发损失量Vt单位为g／（cm2·h），一般在80℃下测量是磁性液体挥发性的指标，与磁性液体的寿命、蒸气压有密切关系，主要由载体的性能决定。
除以上指标外，还有密度、表面张力、导热系数、温度特性、频率特性、超导性能、磁化率、耐蚀性、各相异性、磁共振性、磁性弛豫时间、流体动力学性能、流变学性能等指标，对不同的应用也是交叉起作用。
由于磁性微粒和基液浑成一体，从而使磁性液体既具有普通磁性材料的磁性，同时又具有液体的流动性，因此具有许多独特的诸如磁学、流体力学、光学和声学性质。
（1）磁性液体表现为超顺磁性，本征矫顽力为零，没有剩磁；
（2）在外磁场下，磁性液体被磁化，满足修正的伯努利方程，与常规伯努利方程相比，添加了一项磁性能，使磁性液体具有其它流体所没有的、与磁性相关联的新性质：
例如磁性液体的表观密度随外磁场强度的增加而增大；
（3）在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。
当光波通过稀释的磁性液体时（如同在各向异性的晶体中传播一样），会产生光的法拉第旋转、双折射效应、双向色性等现象。
当磁性液体被磁化时，使相对于磁场方向具有光的各向异性，偏振光的电矢量平行于外磁场方向比垂直于外磁场方向吸收更多，具有更高的折射率。
此外，磁性液体在静磁场作用下，介电性质亦会呈现各向异性；
（4）超声波在磁性液体中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性；
（5）磁性液体在交变场中具有磁导率频散、磁粘滞性等现象。
这些有别于通常液体的奇异性质，为若干新颖的磁性器件的发展奠定了基础。
1.5磁性液体的制备方法
上面说了磁性液体按所含纳米级磁性颗粒的种类，可分为铁酸盐系、金属系、氮化铁系三类。
铁酸盐系磁性液体的磁性颗粒选用Fe3O4、γ-Fe2O3、Co、Ni等，制备方法有粉碎法、化学共沉法和胶溶法等；金属系磁性液体制备方法有CO羰基热分解法和真空蒸镀法；而氮化铁系磁性液体的制备方法有热分解法、等离子CVD法、化学气相沉积法、气相一液相反应法、等离子体活化法等。
以下主要介绍两种典型的制备方法。
1.5.1化学共沉淀制备铁酸盐磁性液体
铁酸盐系磁性液体的纳米磁性颗粒一般选用Fe304、γ-Fe203、Co、Ni等，采用化学共沉法制备。
其反应式为:
将生成的Fe304磁性颗粒吸附C17H33C00-形成单分子层包覆的活性磁粒子，再将其根据需要分散在不同的载体中进行离心处理后即得到铁酸盐系磁性液体。
采用化学共沉法制备铁酸盐磁性液体，其工艺流程如图1-2所示。
图1-2化学共沉淀法制备铁酸盐系磁液工艺流程图
1.5.1.1活性磁粒子的制备
（1）所用仪器。
搅拌器、三口瓶、热浴锅、温度计、调压器、温度控制仪、磁座、匀浆机、离心机、红外干燥箱等。
（2）活性磁粒子的制备。
制取稳定磁性液体的前提是制取纯度高、磁性强、颗粒直径小于10nm的活性磁粒子，具体操作如下：
①将2价铁盐（FeCl2或FeS04）与3价铁盐[FeCl3或Fe2（SO4）3]按物质的量比1:
2混合，加热搅拌升温至55℃。
②加入NaOH溶液，其物质的量比为9:
1（Fe2+：
Fe3+），温度为55℃，加热搅拌，温度升至65℃左右保持30min。
③加入油酸钠溶液，其物质的量比为2:
5（Fe2+：
Fe3+）温度为55℃，一边搅拌一边倒入三口瓶，并升温至80℃左右，此时若停止搅拌，可观察到黑色的活性Fe3O4磁粒子生成，且沉淀在三口瓶底部（即分层），继续升温至90℃并保持30min以使其进一步成熟。
④用5％的盐酸调pH至4～5。
⑤磁座过滤，反复水洗多次，用试剂（BaCl2或AgN03溶液）检查，直到无SO42-或C1-沉淀为止。
⑥将湿的Fe3O4粒子移至表面皿放入红外干燥箱，烘干（其温度不得超过75℃，以防自燃）即制得活性磁粒子（纳米磁颗粒）。
1.5.1.2磁性液体的制备
（1）油基磁性液体的制备
将干燥后的活性磁粒子根据实际应用需要，与不同的载液，例如煤油、环己烷、二甲苯、癸烷、十氢化萘等，按比例混合，放入电动匀浆机中，以20000r／min的转速搅拌30min，即形成油基磁性液体，再将其倒入离心管，放入离心机，以4000r／min的转速离心处理30min，滤除沉降物，即得到稳定的油基磁性液体。
（2）水基磁性液体的制备
根据亲油性活性磁粒子的特点经过第二种表面活性剂处理，形成二次包覆，使亲油基向内，亲水基向外，即可形成水溶性活性磁粒子。
将含水50％的活性磁粒子滤饼根据实际需要与十二烷基苯磺酸钠按一定比例混合，轻轻搅拌，装入高速匀浆机内分散30min，再离心处理30min，滤除沉降物，即可制得稳定性好、饱和磁化强度高的水基磁性液体。
（3）二酯基磁性液体的制备
油酸包覆的Fe304活性磁粒子不能直接分散于高沸点的二元酸酯中，经过第二种表面活性剂作为中间媒介，通过置换的方法来制得二酯基磁性液体。
用普通蒸馏装置，称取Fe304干燥活性磁粒子20g，加入30mL环己烷一起放入匀浆瓶内，在匀浆机内高速搅拌30min，然后再加入30mL癸乙酸二辛酯，放入匀浆瓶内高速搅拌30min，最后将所得溶液放入离心管中，经高速离心甩出不溶物。
所得磁液移至蒸馏瓶中，通过减压蒸馏（78-81℃）蒸出环已烷，即得二酯基磁性液体。
1.5.1.3磁性液体参数的测定
以下对水、煤油、间二甲苯、十氢萘、二酯（癸二酸二辛酯）、环己烷等6种不同载液的磁性液体进行了各项参数的测量。
（1）密度（比重）的测定
采用液体密度天平，进行相对密度测量。
首先对天平进行调零，将要测试的磁性液体放入量筒内，将测锤放入筒内的磁性液体中，横梁失去平衡，不断加放骑码，使天平重新平衡，得到骑码总和即为所测磁性液体的密度，具体实验结果见表1.1。
表1.1磁性液体的密度
载体
Fe3O4:
溶剂／（g:
mL）
密度／（g／cm3）
水
27:
34
1.2300
煤油
50:
70
1.1130
间二甲苯
46:
50
1.2800
十氢萘
33:
50
1.0570
二酯
40:
60
1.0588
环已烷
40:
60
1.1540
（2）表面张力系数的测定
采用扭称测定磁性液体的表面张力系数。
通过测量微小力来测表面张力，利用作图法粗略得到磁性液体的表面张力系数，具体的实验结果见1.2。
表1.2磁性液体的表面张力系数
载体
Fe3O4:
溶剂／（g:
mL）
表面张力系数（22℃）／（×10-5N／cm）
10-3（10310-5N／cm）
水
27:
34
38.1
煤油
50:
70
32.9
间二甲苯
46:
50
35.0
十氢萘
33:
50
36.4
二酯
40:
60
37.1
环已烷
40:
60
30.6
（3）饱和磁化强度的测定
采用CC-2型直流磁性测量装置测定磁性液体的饱和磁化强度。
利用感应原理进行测量，当感生电流经过冲击检流器时，产生感生电流的磁感应强度，即测得在固定磁场中的饱和磁化强度。
具体实验结果见表1.3。
表1.3磁性液体的磁饱和强度
载体
Fe3O4:
溶剂／（g:
mL）
饱和磁化强度／×10-2T
水
27:
34
3.00
煤油
50:
70
2.00
间二甲苯
46:
50
2.00
十氢萘
33:
50
2.00
二酯
40:
60
0.75
环已烷
40:
60
2.50
（4）黏度的测定
采用NDJ-1旋转黏度计测定磁性液体的黏度，根据液体的黏度公式：
η=κα（其中，κ为转动格数，α为黏度系数）。
通过测定黏度系数来测定磁性液体的黏度，其测量结果见表1.4所示。
表1.4磁性液体的黏度
载体
Fe3O4:
溶剂／（g:
mL）
黏度（23℃）／pa·s
水
27:
34
1.10
煤油
50:
70
0.014
间二甲苯
46:
50
0.0145
十氢萘
33:
50
0.0035
二酯
40:
60
0.164
环已烷
40:
60
―
1.5.1.4注意事项
磁性液体制备的最关键一步是制取磁性强、稳定性好，容易过滤的活性Fe304纳米颗粒。
通过大量的实验和多次的失败，我们感到要制备达到要求的活性Fe304纳米颗粒有几个重要的物理、化学参量，应当在以下范围内进行选取，它们对制备Fe304纳米颗粒具有重要参考价值。
（1）碱要适当过量
在2价和3价铁盐溶液中加入稍过量的NaOH以使铁离子反应完全，能生成乌黑发亮的纳米磁粒子。
否则，碱量少，溶液呈褐红色泥浆状，也不分层；碱太多，磁粒子虽黑，但产生泡沫太多，难下沉，pH也不好调整。
碱适当过量，pH几乎不用调整，实验证明，碱量过量为6．25％～12．5％为好。
（2）pH要调得适当
在反应过程中，保护溶液的pH适当是生成高质量的Fe304纳米颗粒的重要因素。
pH过大或过小都会使溶液浑浊，多泡沫，难分层，呈褐色泥浆状，极难过滤，但只要pH调得合适，上述现象均消失。
实验证明，溶液pH为4～5时，可避免产生泡沫，且有黑色纳米颗粒的Fe3O4生成，停机观察，可看到油光闪亮的活性纳米磁颗粒。
（3）加料速度的影响
制备活性磁粒子时，NaOH应快速加入铁盐溶液中，并伴有高速搅拌，反应混合易呈现黑色，生成Fe304纳米颗粒；而在加入表面活性剂油酸钠时，则应缓慢加入，低速搅拌，使生成的Fe304纳米颗粒都能均匀地包覆上一层油酸钠的单分子层，否则就不能制备质量好的纳米磁粒子。
（4）加料温度的影响
要制备出好的活性纳米磁粒子，加入NaOH溶液和油酸钠的温度很重要。
实验证明当加入物料的温度与三口瓶中溶液温度一致时，可加速反应生成。
例如，加NaOH溶液温度应控制在55～60℃，而油酸钠溶液应控制在60～65℃。
（5）磁力过滤
当制取的Fe304纳米颗粒比较细小时，极难过滤，在实践中我们制造了一个磁座，靠外界的磁力迅速使磁粒子沉淀，倾斜过滤，这样过滤既快又省水。
（6）性能指标
实验室提供的水基、煤油基、间二甲苯和环已烷基磁性液体的密度、表面张力系数、黏度和饱和磁化强度等参数基本达到国内同类产品指标，为磁性液体的开发应用奠定了基础。
（7）技术成熟程度
在实验室小量制备铁酸盐系磁性液体（油基）已摸索出成本低的配料，掌握了新的工艺流程，可自给自足，也可少量售出。
1.5.2气相一液相法制备氮化铁磁性液体
该方法的基本原理为在添加了胺基系表面活性剂的煤油中导入氨气,同时将漏斗中的适量羰基铁放入反应器中,加热反应器至90℃保温60min,生成胺基羰基铁中间体,然后在185℃高温下分解该中间体,可以得到氮化铁磁性液体。
1.5.2.1反应机理及工艺过程
（1）反应机理．
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