纳米四氧化三铁的制备、修饰及磁场的影响

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纳米磁性材料由于其独特的物理化学性质,使其在物理、化学等方面表现出与常规磁性材料不同的特点。纳米磁性材料已成为当今国际研究的热点之一。目前,尽管已有多种制备技术被报道,然而能够满足工业化生产条件的技术还不多见。本文吸取多种方法之长,结合本实验室多年关于纳米材料研究的宝贵经验,采用氧化-共沉淀相转化法制备纳米四氧化三铁,讨论了粒度均匀、大小可控的纳米Fe3O4粉体材料的制备条件,并经表面活性剂修饰增强Fe3O4的均匀性及分散性;同时,研究磁场对纳米Fe3O4形貌结构及液相转化的影响,探索磁场作用下纳米Fe3O4的变化规律,以增强其应用性。本文的主要研究内容包括:(1)纳米四氧化三铁的制备利用动态沸腾回流及静态水浴两种加热方式,改变反应体系的pH值、反应温度、反应时间、双氧水的用量等反应条件,研究了各种条件对纳米四氧化三铁的生成及粒径的影响,并研究样品的磁性能。结果表明:利用动态沸腾回流法加热,pH值在812可生成纯相Fe3O4,随着pH值的升高,纳米Fe3O4粒径逐渐减小,确定制备小颗粒的纳米Fe3O4的最佳pH值为11.5;沸腾回流法得到的Fe3O4粒径一般在2040nm之间,颗粒相对较均匀。利用静态水浴法在常温条件下(20℃)可制得Fe3O4,随着温度的升高,产物的晶化性趋好;得到结晶较好的纯相Fe3O4适宜温度为80℃;产物粒径在1050nm之间。两种加热方式得到的纳米Fe3O4均显示出铁磁性行为,但水浴法得到的纳米Fe3O4产生的闭合磁滞回线的面积明显大于沸腾回流法制备的纳米Fe3O4。(2)纳米四氧化三铁的修饰对比了多种表面活性剂对纳米Fe3O4的表面修饰所起的作用。分别讨论了十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、二苯胺磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠五种表面活性剂的修饰情况。通过改变加热方式、加入表面活性剂的前后顺序以及表面活性剂与Fe3O4的物料比等条件,寻找理想的表面活性剂及修饰条件,并得出以下结论:十二烷基硫酸钠对纳米Fe3O4具有较好的修饰作用,当Fe3O4与十二烷基硫酸钠的物质的量的比约为8:1时,表面分散效果最好;比较两种加热方式发现,水浴法加热得到的Fe3O4较大,形貌也有所变化,而用沸腾回流法加热,更有利于生成小颗粒且分散性好的纳米Fe3O4。另外,改变表面活性剂的加入时间,比较一次法和二次法,一次法更容易生成粒径较小且分散效果较好的纳米四氧化三铁;二次法也可得到分散性较好的纳米Fe3O4,但产物粒径较大。(3)磁场对纳米四氧化三铁液相转化的影响讨论在磁场作用下,纳米四氧化三铁的形貌、粒径的变化情况。同时,改变磁场强度、反应时间、反应温度及氧气用量等条件探讨各种参数对纳米四氧化三铁液相相转化的影响。结果表明,磁场对纳米Fe3O4粒子的排布、分散性及粒径大小都具有影响,弱磁场的作用可使Fe3O4粒子沿一定方向排列,使其呈现链状排布,随着磁场强度的增加,微粒的粒径有所减小,但均匀性、分散性变差。磁场对纳米Fe3O4液相转化具有影响,磁场强度的增加、通O2量及反应温度的升高均有利于Fe3O4的液相转化;在强磁场(E=250mT)作用下,通入空气,控制反应温度为100℃,沸腾回流36小时后纳米Fe3O4可以基本上转化为α-Fe2O3。
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