一种强磁场条件下稳定的磁性流体及其制备方法与流程

本发明涉及磁性纳米材料，特别涉及一种强磁场条件下稳定的磁性流体及其制备方法。

背景技术：

磁性流体是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，是由直径为纳米量级的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。磁性流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性。用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。

磁流体制备方法主要有研磨法，解胶法，热分解法，放电法等。目前应用最多的是用共沉淀法制备的磁性铁氧体材料作为纳米颗粒，油酸油胺等作为白面活性剂，水和润滑油(矿物油和合成油)作为载体制备磁流体。中国专利cn1278946a公开了一种磁性流体及其制造方法，其中用cvd法制备了10纳米左右的磁性金属离子，为了防止其氧化，在其表面包覆了0.01-1nm的抗氧化膜(二氧化硅)，制备出性能稳定的磁性流体。中国专利cn1774774a公开了一种具有改良的化学稳定性的磁性流体及其制备方法，其中用金属、金属合金、金属混合物或非金属作为元素改性剂，发现对提高磁性流体化学稳定性有很大的作用。中国专利cn1797624a公开了一种铁氧体磁性流体，其中用二价铁盐和三价铁盐在氨水的条件下制备了以铁氧体为磁性颗粒的磁性流体。美国专利5676877公开了一种化学稳定性良好的磁性流体制备方法，其中用表面改性剂(烷基醇化硅烷)完全覆盖了磁性纳米颗粒后制备出了化学稳定良好的磁性流体。

磁性流体的应用基本都围绕强磁场环境下应用，虽然上述专利中的制备方法均可一定程度提高磁性流体的化学稳定性，但流体的磁场稳定性还有待进一步提高。因此有必要提供一种在钕铁硼等强磁场条件下能长期稳定使用的磁性流体。

技术实现要素：

本发明提供了一种强磁场条件下稳定的磁性流体及其制备方法，其目的是为了增强磁性流体的稳定性并使其能在强磁场中长期使用。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种强磁场条件下稳定的磁性流体的制备方法，包括如下步骤：

1)向乙酰丙酮铁溶液中滴加尿素溶液，再进行搅拌反应，得到反应液1；

其中，乙酰丙酮铁与尿素的摩尔比为1:(1.0～5.5)；

2)在搅拌条件下向步骤1)所得反应液1中加入稳定剂溶液，再进行搅拌反应，得到反应液2；

其中，稳定剂为钛酸偶联剂，稳定剂溶液与反应液1的体积比为(0.1～1):100；

3)将步骤2)所得反应液2进行加热、离心和洗涤，得到钛酸偶联剂包覆的磁粉；

4)将步骤3)所得磁粉与载液以及分散剂混合，再进行超声分散，得到稳定磁性流体。

优选地，所述乙酰丙酮铁溶液为将乙酰丙酮铁溶解在乙醇中制得，所述乙酰丙酮铁的质量分数为1～20％。

优选地，所述尿素溶液为将尿素溶解在乙醇中制得，所述尿素的质量分数为1～30％。

优选地，所述稳定剂溶液为将稳定剂溶解在乙醇中制得，所述稳定剂的质量分数为0.5～5％。

优选地，步骤1)中所述向乙酰丙酮铁溶液中滴加尿素溶液具体为以100～200滴/min的滴加速度向温度为40～60℃的乙酰丙酮铁溶液中滴加尿素溶液。

优选地，步骤3)所述加热具体为在150～200℃条件下反应240～480min。

优选地，步骤3)所述钛酸偶联剂包覆的磁粉的粒径为5～20nm。

优选地，步骤3)所述磁粉、载液和分散剂的摩尔比为(0.1～1):1：0.1。

优选地，步骤3)中所述载液为癸二酸油酸酯、甘油三油酸酯、甘油单油酸酯、月桂酸油醇酯、三羟甲基丙烷油酸酯和油醇油酸酯中的一种或多种；所述分散剂为蓖麻油聚氧乙烯醚、异构十醇聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、聚氧乙烯月桂酸酯、甘油聚氧乙烯醚和十八胺聚氧乙烯醚中的一种或多种。

本发明还提供一种由上述任意一项所述方法制备而成的强磁场条件下稳定的磁性流体，所述磁性流体的磁饱和强度为100～500gs。

本发明提供的制备使用有机铁(乙酰丙酮铁)为原材料，弱碱性尿素为氧化剂，在一定温度下释放oh^-根，得到尺寸均一的fe3o4纳米颗粒；在高温高压条件下用钛酸酯偶联剂作为表面修饰稳定剂来包覆fe3o4纳米颗粒，使其与分散液有很好的相容性而提高了强磁场条件下的稳定性。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的制备方法操作简单、原料易得、成本低廉，适合大规模生产。

本发明提供的制备方法中fe³⁺与oh^-反应生成fe3o4，fe3o4粒径均一，有利于短时间内分散在液体中作用，可用作磁性流体中的磁粉使用；使本发明制备的钛酸酯修饰的fe3o4的质量分数为10～50％，本发明制备的钛酸偶联剂包覆的磁粉粒径为5nm～20nm，有良好的结晶性和分散性。fe3o4再与稳定剂(钛酸偶联剂)反应，再分散到载液中制备得到强磁场条件下稳定磁性流体；稳定剂(钛酸偶联剂)不但起到使fe3o4稳定的作用，而且还有利于磁性流体在强磁场条件下长期使用。

本发明制备得到的磁性流体的磁饱和强度为100～500gs；在300kj/m³磁铁下的磁性流体的稳定系数在六个月内无变化，磁性流体在强磁场下稳定性良好。

附图说明

图1为本发明实施例1中钛酸偶联剂包覆的磁粉的透射电镜图。

图2为本发明实施例1中磁流体在强磁场条件下的稳定系数图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。

实施例1

(1)将乙酰丙酮铁溶解到乙醇中，得到质量分数为10％的乙酰丙酮铁溶液；

(2)将尿素溶解到乙醇中，得到质量分数为20％的尿素溶液；

(3)将稳定剂分散到醇溶液中，得到质量分数为2％的稳定剂溶液；其中，稳定剂为钛酸偶联剂(钛酸四丁酯)；

(4)将步骤(1)所得乙酰丙酮铁溶液加热至40℃，再以100滴/min的滴加速度向温度为40℃的乙酰丙酮铁溶液中滴加质量分数为20％的尿素溶液，得到反应液1；其中，反应液1中乙酰丙酮铁与尿素的摩尔比为1:1；

(5)将反应液1在温度为40℃和搅拌速度为50r/min的条件下搅拌反应10min，再在搅拌速度为50r/min的条件下，再向反应液1中加入稳定剂溶液，再在温度为30℃和搅拌速度为300r/min下搅拌反应10min，得到反应液2；

其中，所述的稳定剂溶液与反应液1的体积比为1:100；

(6)将反应液2溶液转移到水热反应釜中，在150℃条件下反应240min，得到反应液3；

(7)将反应液3冷却至室温，在离心速度为3000r/min条件下离心5min，将反应液3的上层清液倒出，弃除，收集下层固体物质；使用温度为50℃的乙醇对收集的下层固体物质清洗3次，得到钛酸偶联剂包覆的磁粉；其中，钛酸偶联剂包覆的磁粉粒径为8nm。

(8)将钛酸偶联剂包覆的磁粉、载液(癸二酸油酸酯)和分散剂(蓖麻油聚氧乙烯醚)在温度为50℃下超声分散2h，得到强磁场条件下稳定磁性流体；其中，所述磁粉、癸二酸油酸酯与蓖麻油聚氧乙烯醚摩尔比为1:1：0.1；所述磁性流体的磁饱和强度为300gs。

实施例1中钛酸偶联剂包覆的磁粉的透射电镜图如图1所示，制备的钛酸偶联剂包覆的fe3o4磁粉为球形，尺寸基本在8纳米左右，有利于分散在载液中。

将制备的磁性流体静止放在强磁铁(磁能积300kj/m³)上面，定期测试密度，第一个月每天测试一次密度，第二个月每十天测试一次密度，后120天每月测试一次密度，用下列公式计算其稳定系数：

i＝(ρ1-ρ)/(ρ-ρw)

其中i为稳定系数，ρ第一次测试的磁性流体密度，ρ1为静止后每次测试的密度，ρw为载液的密度。

通过180天的测试发现为稳定系数没有变化，如图2所示，从而可以看出制备的磁性流体在强磁条件下长期稳定。

实施例2

(1)将乙酰丙酮铁溶解到乙醇中，得到质量分数为1％的乙酰丙酮铁溶液；

(2)将尿素溶解到乙醇中，得到质量分数为1％的尿素溶液；

(3)将稳定剂分散到醇溶液中，得到质量分数为0.5％的稳定剂溶液；其中，稳定剂为钛酸偶联剂(钛酸四丁酯)；

(4)将步骤(1)所得乙酰丙酮铁溶液加热至50℃，再以150滴/min的滴加速度向温度为50℃的乙酰丙酮铁溶液中滴加质量分数为1％的尿素溶液，得到反应液1；其中，反应液1中乙酰丙酮铁与尿素的摩尔比为1:3；

(5)将反应液1在温度为50℃和搅拌速度为100r/min的条件下搅拌反应20min，再在搅拌速度为100r/min的条件下，再向反应液1中加入稳定剂溶液，再在温度为40℃和搅拌速度为400r/min下搅拌反应30min，得到反应液2；

其中，所述的稳定剂溶液与反应液1的体积比为0.5:100；

(6)将反应液2溶液转移到水热反应釜中，在180℃条件下反应300min，得到反应液3；

(7)将反应液3冷却至室温，在离心速度为4000r/min条件下离心8min，将反应液3的上层清液倒出，弃除，收集下层固体物质；使用温度为55℃的乙醇对收集的下层固体物质清洗5次，得到钛酸偶联剂包覆的磁粉；其中，钛酸偶联剂包覆的磁粉粒径为5nm。

(8)将钛酸偶联剂包覆的磁粉、载液(癸二酸油酸酯)和分散剂(蓖麻油聚氧乙烯醚)在温度为80℃下超声分散3h，得到强磁场条件下稳定磁性流体；其中，所述磁粉、癸二酸油酸酯与蓖麻油聚氧乙烯醚摩尔比为0.5:1：0.1；所述磁性流体的磁饱和强度为100gs。

实施例3

(1)将乙酰丙酮铁溶解到乙醇中，得到质量分数为20％的乙酰丙酮铁溶液；

(2)将尿素溶解到乙醇中，得到质量分数为30％的尿素溶液；

(3)将稳定剂分散到醇溶液中，得到质量分数为5％的稳定剂溶液；其中，稳定剂为钛酸偶联剂(钛酸四丁酯)；

(4)将步骤(1)所得乙酰丙酮铁溶液加热至60℃，再以200滴/min的滴加速度向温度为60℃的乙酰丙酮铁溶液中滴加质量分数为30％的尿素溶液，得到反应液1；其中，反应液1中乙酰丙酮铁与尿素的摩尔比为1:5.5；

(5)将反应液1在温度为60℃和搅拌速度为200r/min的条件下搅拌反应30min，再在搅拌速度为200r/min的条件下，再向反应液1中加入稳定剂溶液，再在温度为50℃和搅拌速度为800r/min下搅拌反应60min，得到反应液2；

其中，所述的稳定剂溶液与反应液1的体积比为1:100；

(6)将反应液2溶液转移到水热反应釜中，在200℃条件下反应480min，得到反应液3；

(7)将反应液3冷却至室温，在离心速度为5000r/min条件下离心10min，将反应液3的上层清液倒出，弃除，收集下层固体物质；使用温度为60℃的乙醇对收集的下层固体物质清洗4次，得到钛酸偶联剂包覆的磁粉；其中，钛酸偶联剂包覆的磁粉粒径为20nm。

(8)将钛酸偶联剂包覆的磁粉、载液(癸二酸油酸酯)和分散剂(蓖麻油聚氧乙烯醚)在温度为100℃下超声分散5h，得到强磁场条件下稳定磁性流体；其中，所述磁粉、癸二酸油酸酯与蓖麻油聚氧乙烯醚摩尔比为0.1:1：0.1；所述磁性流体的磁饱和强度为500gs。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。