纳米四氧化三铁的制备、改性及应用
2020-12-18 17:42:18
一、纳米四氧化三铁的简介
四氧化三铁是一种常用的磁性材料，又称氧化铁黑，呈黑色或灰蓝色。四氧化三铁是一种铁酸盐，即Fe2+Fe3+（Fe3+O4）（即FeFe（FeO4）前面2+和3+代表铁的价态）。在Fe3O4里，铁显两种价态，一个铁原子显+2价，两个铁原子显+3价，所以说四氧化三铁可看成是由FeO与Fe2O3组成的化合物，可表示为FeO〃Fe2O3，而不能说是FeO与Fe2O3组成的混合物，它属于纯净物。四氧化三铁硬度很大，具有磁性，可以看成是氧化亚铁和氧化铁组成的化合物，逆尖晶石型、立方晶系。在外磁场下能够定向移动，粒径在一定范围之内具有超顺磁性，以及在外加交变电磁场作用下能产生热量等特性，其化学性能稳定，因而用途相当广泛。
二、纳米四氧化三铁的制备方法
纳米微粒的制备方法主要有物理方法和化学方法。物理方法制备纳米微粒一般采用真空冷凝法、物理粉碎法、机械球磨法等。但是用物理方法制备的样品一产品纯度低、颗粒分布不均匀，易被氧化，且很难制备出10nm以下的纳米微粒，所以在工业生产和试验中很少被采纳。
化学方法主要有共沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、水解法、水热法等。采用化学方法获得的纳米微粒的粒子一般质量较好，颗粒度较小，操作方法也较为容易，生产成本也较低，是目前研究、生产中主要采用的方法。
1、共沉淀法：沉淀法是在包含两种或两种以上金属离子的可溶性盐溶液中，加入适当的沉淀剂，使金属离子均匀沉淀或结晶出来，再将沉淀物脱水或热分解而制得纳米微粉。
2、溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶方法(Sol-Gel)是日本科学家发展起来的一种液相制备单分散金属氧化物颗粒的新工艺。
3、微乳液法：微乳液是由油、水、表面活性剂有时存在助表面活性剂组成的透明、各向同性、低黏度的热力学稳定体系，其中不溶于水的非极性物质作为分散介质,反应物水溶液为分散相，表面活性剂为乳化剂，形成油包水型或水包油微乳液。
4、水热法：水热法是在密闭高压釜内的高温、高压反应环境中，采用水作为反应介质，使通常难溶或不溶的前驱体溶解，从而使其反应结晶的一种方法。
三、纳米Fe3O4粒子的表面改性
由于制备的Fe3O4粒子容易团聚、容易被氧化，或者在某些方面不够完善，在使用时需对其表面进行改性，有目的地改变粒子表面的物理化学性质，如表面化学结构、表面疏水性、化学吸附和反应特性等。常用的表面改性方法如下：
1.表面化学改性法：利用表面化学方法，如有机物分子中的官能团在Fe3O4粒子表面的吸附或化学反应对粒子表面进行局部包覆使其表面有机化，从而达到表面改性，这是目前Fe3O4粒子表面改性的主要方法。表面化学改性所用的表面改性剂多为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和带有官能团的有机聚合物。如油酸、月桂酸、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠等阴离子表面活性剂。
2.沉淀反应改性法：沉淀反应改性是指通过无机化合物在Fe3O4粒子表面进行沉淀反应形成包覆层，从而改善其抗氧化性、分散性等。对共沉淀得到的Fe3O4纳米粒子在硅酸钠溶液中进行酸化处理，获得了表面包覆SiO2层的核壳结构的磁性粒子。由于SiO2的位阻作用，限制了Fe3O4微晶的团聚和继续生长，使Fe3O4核分散在产物中保持较小的晶粒尺寸，包覆产物表现出超顺磁性，同时提高了磁性组分的耐候性。
3.溶胶-凝胶法改性：溶胶-凝胶过程指无机前驱体通过各种反应形成三维网状结构。SiO2是溶胶-凝胶法改性Fe3O4中应用最为广泛的一种调节表面和界面性质的表面修饰剂。该方法通常是采用正硅酸乙酯为原料，通过优化水解条件在Fe3O4粒子表面包覆一层SiO2，提高Fe3O4粒子的稳定性。
4.静电自组装改性：静电自组装，又称层层自组装或逐层自组装，是近年来出现的一种新型的粒子自组装的方法，它为合成新型、稳定和功能化的核壳式微球提供了新的选择，并且技术简便易行，无须特殊装置，通常以水为溶剂。因此，备受国内外研究学者的关注。
四、纳米四氧化三铁的应用
当四氧化三铁的尺寸降至纳米量级时，由于纳米粒子的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等的影响，使其具有不同于常规体相材料的特殊的磁性质。这也使其在工业、生物医药等领域有着特殊的应用。
1、生物医药：磁性高分子微球（也称免疫磁性微球）是一种由磁性纳米颗粒和高分子骨架材料制备而成的生物医用材料，其中的高分子材料包括聚苯乙烯、硅烷、聚乙烯、聚丙烯酸、淀粉、葡聚糖、明胶、白蛋白、乙基纤维素等，骨架材料主要是具有磁性的无机材料。而Fe3O4因具有物料性质稳定、与生物相容性较好、强度较高，且无毒副作用等特点，而被广泛的应用于生物医用的多个领域，如磁共振成像、磁分离、靶向药物载体、肿瘤热疗技术、细胞标记和分离等.
2、磁性液体：磁性液体是一种新型功能材料，它将是众多的纳米级的铁磁性或亚铁磁性微粒高度弥散于液态载液中而构成的一种高稳定的胶体溶液，微粒与载液通过表面活性剂混成的这种磁性液体即使在重力场、电场、磁场作用下也能长期稳定的存在，不产生沉淀与分离。目前，磁性流体已经广泛应用于选矿技术、精密研磨、磁性液体阻尼装置、磁性液体密封、磁性液体轴承、磁性液体印刷、磁性液体润滑、磁性液体燃料、磁性液体染料、磁性液体速度传感器和加速度传感器、磁性液体变频器、磁性液体陀螺仪、水下低频声波发生器、用于移位寄存器显示等。
3、催化剂载体：Fe3O4颗粒在很多工业反应中被用作催化剂。由于Fe3O4纳米微粒尺寸小，比表面积大，且纳米颗粒表面粗糙，形成了凹凸不平的原子台阶，增加了化学反应的接触面。同时，以Fe3O4颗粒为载体，催化剂成分覆在颗粒表面，制得核-壳结构的催化剂超细粒子，既保持了催化剂高的催化性能，又使催化剂易于回收。因此，Fe3O4颗粒被大量应用于催化剂载体研究中。
4、微波吸波材料：纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收有宽化现象。Fe3O4磁性纳米粉由于具有高的磁导率，可以作为铁氧体吸波材料的一种，应用在微波吸收方面。
5、磁记录材料：纳米Fe3O4磁性颗粒的另一个重要用途是用来做磁记录材料。纳米Fe3O4由于其尺寸小，其磁结构由多畴变为单畴，具有非常高的矫顽力，用来做磁记录材料可以大大提高信噪比，改善图像质量，而且可以达到信息记录的高密度。为了达到最好的记录效果，纳米Fe3O4颗粒必须有较高的矫顽力和剩余磁化强度，尺寸较小、耐腐蚀、耐摩擦以及适应温度的改变。
6、磁性密封：磁性液体又称磁流体或铁磁流体，具有可通过磁场控制其物理性能的特点，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中所形成的稳定的胶体体系。可用作机械密封的旋转轴密封（动密封），利用磁性液体既是流体又是磁性材料的特点，可以把它吸附在永久磁铁或电磁铁的缝隙中，使两个相对运动的物体得到密封。形成液体O型环，用于精密仪器、精密机械、气体密封、真空密封、压力密封等；动密封应用最广，可实现零泄漏，具有密封液用量少、防震、无机械磨损、小磨擦、低功耗、无老化、自润滑、寿命长、转速适应范围宽、结构简单、对轴加工精度及光洁度要求不高、密封可靠等优点。
随着材料技术的飞速发展，新型材料制备技术日新月异。本文只是对的常见制备、改性技术做了简单的介绍。新材料特别是纳米材料的制备方法在持续进步，受编者的见识限制，有不当之处敬请业内专家学者指正。分享知识，提高无形资产向有形资产转化效率是的一个主要目的。虽然我们不是真正意义的粉体材料专家，但是我们有信心为粉体行业的兴旺尽一份力量。
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