磁性液体

磁性液体

1.概述

磁性液体,是磁性微粒表面包覆表面活性剂,并高度分散在基液中形成的磁性胶体溶液。这种溶液在重力场和磁力作用下也不会出现凝聚和沉淀现象。在外磁场下能够被磁化,通常显示超顺磁性。撤去外场时,其磁畴又重新恢复杂乱无章的无序状态而消失其宏观特性。磁性液体兼有固体的磁性和液体的流动性。是一种新型的功能材料,在诸多领域有着广泛的应用。60年代初期,美国宇航局为了解决宇宙服可动部分的密封及在空间失重条件下的燃料补充问题,开发了磁性液体。1965年,S.S.Pappell获得世界上第一个具有试用意义的制备磁性液体的专利。磁性液体问世后的短短几年,它就走出实验室,开始应用于科学实验和工艺装置中。自60年代末期以来,美国、日本、前苏联、英国等国家相继开展了磁性液体技术的研究。我国也于70年代末期开始磁性液体及其应用技术的研究。

目前,磁性液体出现了一系列品种,从其磁性微粒来分,有三大基本类别:铁氧体系、金属系和氮化铁系磁性液体。其中铁氧体系磁性微粒有γ-Fe2O3、MeFe2O4(Me=Co、Mn、Ni)、Fe3O4,这类磁性液体在产量上占绝对优势,但受其自身限制,其饱和磁化强度较低,最高为850Gs,应用

范围有限;金属系有Ni、Co、Fe以及FeCo和NiFe合金等,饱和磁化强度可达1500Gs,但即使是在惰性气体保护和加入抗氧剂的情况下也无法完全阻止其氧化;氮化铁系磁性液体相比较而言,饱和磁化强度高、化学稳定性强。此外,一种以普通磁性液体和非磁性液体复合

形成的复合型磁性液体也已出现,这种磁性液体具有双折射和二向色性等新奇特性。日本还研制成了彩色和透明磁性液体。随着研究的深入,将有越来越多的新成员加入到磁性液体家族中来。人们对磁性液体的特性研究也在不断发展和深入。首先从磁性液体的制备工艺和种类方面不断提高和改善磁性液体的基本特性,如Fe3O4磁性液体的饱和磁化强度从0.02T发展到0.06T左右。另外,人们还对磁性液体所表现出的各种特殊性质进行了研究,如粘度特性、力学特性、光学特性、声学特性及温度特性等。在磁性液体应用方面,密封是其最成熟的应用,其次,在航天、电子、机械、冶金、石油化工、环保、轻工、遥控遥测、仪表、阻尼、热交换、磁回路、传热器、电声器、医疗卫生等方面也获得了广泛应用。随着生物磁学的发展,磁性液体在生物磁学上开拓新的应用领域,如在药物靶向供给、生物物料提纯、红血球分离等方面的应用正在进行当中。

2.磁性液体的制备

制备磁性液体技术关键是：（1）磁性微粒的尺寸必须足够小。只有磁性液体中的微粒尺寸小于10nm时，微粒才能做布朗运动，不发生沉淀；（2）磁性微粒稳定均匀地分散于载液中。只有当微粒均匀分散于液体中，而且不发生沉淀时，磁性液体才具有可用性。其中，表面活性剂的选择是磁性液体制备技术的核心。就目前而言，制得超微细颗粒的方法既有粉碎、解胶、吸附、有机相分散法等物理化学方法；也有诸如火花电蚀法、真空蒸着法、羰基热解法、热分解法、氢还原法、电解等特种方法。

2.1早期的磁性液体制备

2.1.1机械粉碎法

该法是将分散质、表面活性剂与溶媒放在一起，在球磨机上进行长时间的研磨，然后通过过滤或离心分离的方法去除掉粗粒子而制得磁性液体。但是该法研磨时间很长，成本过高，因而没有得到推广。

2.1.2吸附分散法

吸附分散法是在水溶液中将表面活性剂离子吸附于磁铁矿表面，水洗、脱水后再分散处理。水溶液中吸附———有机相分散法。

2.1.3解胶法

解胶法是在Fe2+,Fe3+共存溶液中加碱反应后生成Fe2O3微粒，再加入沸腾的载液与表面活性剂的混合液，使固体微粒在有机溶媒中进行吸附反应脱水后便得到所需的磁性液体。解胶法为Khalafal于1972 年首创，使用的载体溶液为含油酸的加热煤油，并用此法制得了油基铁磁性液体。解胶法的微粒制备方法实际上属于铁氧体的中和法。

2.2新的磁性液体制备方法

随着科学技术的发展，磁性液体制备技术也得到了发展，因而其质量提高，成本却相对下降。目前的搅拌技术已经发展成为机械、电磁、超声波和充气等混合搅拌技术，而且作为分散技术灵魂的表面活性剂更是在20世纪70年代得到了突吃猛进地发展，阳离子表面活性剂，阴离子表面活性剂、中性表面活性剂的数量和质量都有了极大的提高，这些都为磁性液体的制备创造了良好的条件。

2.2.1水解分散法

其全称为氧化水解捕收分散法。即用氧化水解法山单一亚铁盐制备Fe2O3微粒(即为铁氧体法的氧化法)，把制得的微粒洗涤后，立即用表面活性剂捕收分散进入油相或再分散进入水相。该法与吸附分散法相比，其不同之处是包覆了表面活性剂的Fe304、等微粒不必脱水干燥，而是直接转入油相或水相中，从而降少了Fe30 4氧化变质的机会。该法与解胶法相比，原料单一，给制备作业带来方便。该方法还有生产周期短，能耗低，成本低等优点，因而具有较好的应用价值。

2.2.2氢还原法

氢还原法是生产金属粉末的传统方法。冶金中常用此法，但大都为气固还原过程。S.R.Hoon等人在第三届磁性液体国际会议上介绍了在溶液中的氢还原。并报道了由二一η5戊基镍颗粒铁磁液体。根据该报道，其产物的颗粒直径在80Å以下，其颗粒主要是面心立方晶格的镍。用氢还原法所制成的磁性液体的磁饱和强度不高，但是却给了我们一个启示：在制备磁液体过程中，通过改造传统技术以及其它学科范围已采用的技术，可使制备过程能在一个体系内完成，这是磁性液体制备技术的一个发展方向。

2.2.3热分解法

在第四届磁性液体国际会议上，rnbrick, N.Masoon, S.R.Hoon和M.Kilne等人报道了热分解法，并成功地制备了Ni-Fe磁性液体，热分解法是通过热解有机化合物的方法

而制得磁性液体。事实上通过热分解法制得钻的铁磁性液体这一工作早在1966年已山

J.R.Thomas等人完成。从当时的制备情况看，注意力主要集中于分解的技术以及选择适当的稳定剂上。Hess和Parker等人在1966年研究了作为稳定剂的多聚物材料。如根据钻的粒度分布和磁性，可断定最好的稳定剂是平均分子量为100000以上的聚合物，这种物质山比较不活泼的碳氢链组成，这些碳链每隔200个原子有一个极性基团。极性基团粘附在金属表面，而聚合物本体形成一厚覆盖层，能阻比金属粒子的凝聚。也有成功运用非聚合物稳定剂如Aerosol.O.T,Sarkosyl等制备钻磁性液体的报道(1978年)。该方法的优越性是:所制得的磁性液体的磁性颗粒的直径很小(≈4nm )，而且其分散度较窄，也比较稳定。另外山于该法可以使磁液体含有两种以上的合金微粒，因而事实上该法所制得的磁性颗粒为“合金”，这样可以使磁性液体兼有两种材料的优点，所以意义重大。又山于该法制作仪器设备简单，所以适合于实验室的制备工作。

近年来，磁性液体制备技术在现代高科技的带动

下有了更进一步的发展，并产生了一些更新的方法。如1983年Berkowitz和Walter在第三届磁性液体国际会议上报道的火花电蚀法;山口本国家金属材料技术研究所的L Niatani, T.Furubayashi, T. Takahashi和H.Hanaoka在第四届磁性液体国际会议上报道的“真空蒸着法”，并称其所制得的磁性液体为强力磁性液体,另外还有法国巴黎第六大学过渡金属化学实验室小组所发明的一种快速合成法即“带电法”，该法极大地降低了磁性液性制作的成本，为磁性液体的大量使用提供了可能;另外还有类电镀法、拨基分解法以及改进后的磁性液体研磨法等。

3磁性液体制备技术展望

通过对磁性液体制备技术的过去及其发展状况的分析，可以对磁性液体制备技术的发展趋势进行下述预测:

(1)改造传统技术，包括其它学科范围已采用的技术，如前文所述的氢还原法，火花电蚀法等，尽量使制备过程能在一个体系内完成;

(2)研究铁磁性金属颗粒磁性液体，如前述的真空蒸着法、热分解法等，以制得磁化强度高和热导率高的磁性液体，以适应更广泛的应用要求;

(3)跟踪现代磁性材料发展的新进展，努力开发研制新型的强磁性材料。这其中包括各种磁性材料的结构、配比的变化而引起磁性的增强，特别注意磁性发生吃跃的材料。这也是提高磁性液体磁饱和度的一个有效途径;

(4)尝试使用多种表面活性剂，如在前文所述的拨基分解法中，实验研究者就曾进行多种尝试，最后确认Sarkosyl-0及Duomeen-TDO较为理想，能够制得高效而又稳定的磁性液体;

(5)广泛采用电子显微技术、电子衍射技术、X射线衍射技术和穆斯堡尔谱等现代测试技术来分析磁性液体磁性颗粒的粒度及晶体结构，了解其形成过程，从而在更深的层次上研究提高磁性液体质量的途径。磁性液体制备技术中存在的问题有:超微粒子的稳定性与磁性，表面活性剂与基载液的相容性以及载液本身局限性等。这些问题互相关联，相互制约，影响着磁性液体的制备及应用。相信随着对磁性液体理论的深入研究，对磁性液体物理化学性质认识的深入，表面活性及制备技术的发展，这些问题会迎刃而解，从而得到性能更加优良的磁性液体「“〕。总而言之，化学、物理化学和材料科学等学科的新进展都会影响到磁性液体制备技术的发展，即使是已有的制备技术，在科学进步的推动下，也能够被赋予新的生命。3.