四氧化三铁的制备

四氧化三铁纳米片的制备及其对液体石蜡摩擦学的改性

张锡凤1)刘晓光1)程晓农2)殷恒波1)曹智娟1)郝伟1)严冲2)

1) 江苏大学化学化工学院，江苏镇江212013

2) 江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江212013

摘要：采用液相化学氧化法，在水体系中，以硫酸亚铁为母体，水合肼为氧化剂，加入吐温-80（Tween-80）为修饰剂，合成了厚约20nm、长约152nm的四氧化三铁纳米片。通过X-射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和高浓度激光粒度仪对四氧化三铁纳米片进行了表征。将四氧化三铁纳米片加到基础油液体石蜡（LP）中，在UNT-Ⅱ摩擦磨损实验机上考察其作为LP添加剂后的摩擦磨损性能，采用SEM分析了磨损表面形貌和表面膜元素组成及含量。结果表明：与不加四氧化三铁纳米片的LP相比，添加后较大程度的降低了摩擦系数，并获得较小的磨痕直径，显著改善了LP的摩擦性能。

关键词：四氧化三铁，纳米片，化学还原法，摩擦学

Preparation of Fe3O4 Nanopiece and Modification

Tribological Property of Liquid Paraffin as Its Additive ZHANG Xifeng1, LIU Xiaoguang1, CHENG Xiaonong2, YIN Hengbo1, Cao zhijuan1, HAO Wei1,

YAN Chong2

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, 212013;

2. School of Material Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, 21201

3. ) Abstract: 20nm thick and 152nm length Fe3O4Nanopieces were synthesized using ferrous sulfate as precursor in water systems, hydrazine hydrate as reductant, polyethylene sorbitan monooleate （Tween-80）as modifier. The as-prepared Fe3O4Nanopieces were characterized by transmission electron micrographs (TEM), powder X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), high concentration laser granularity scatter analyzer. The anti-wear and friction reducing performance of Fe3O4nanopieces as liquid paraffin additive was investigated on UNT-Ⅱball-on-plate friction and wear testers. The worn surface morphology and composition of surface film were analyzed by means of scanning electron microscope (SEM). Compared with pure liquid paraffin, the results indicate that the tribological property of liquid paraffin with Fe3O4 nanopieces is improved, the friction coefficients are decreased, and the worn diameter is lesser.

key words: ferroso-ferric oxide; nanowires; synthesis (chemical); tribological property

granularity scatter

纳米金属材料的晶粒尺寸与形貌、表面状态和微结构直接影响到纳米金属的物化性质与用途。目前纳米金属的形貌控制合成与应用研究尚处于起步阶段，通过形貌控制可选择性地合成出四面体、立方体、棒以及三棱柱等形貌、尺寸和结构可控的纳米金属，以及进行纳米分子结构的重组装是人们的研究热点，具有深远的理论意义及应用价值。

纳米Fe3O4具有与生物组织的相容性以及与尺寸和形貌有关的电学和磁学性能，使它在

磁性墨水、电子与生物敏感材料、磁流体和磁记录材料、高密度磁记录介质和生物医药等领域具有广泛的应用。人们采用各种物理、化学方法已制备了单分散性的Fe3O4纳米颗粒、八面体、纳米棒、纳米线、纳米链、纳米管、纳米锥阵列、空心微球、三维超晶格和纳米花等纳米结构。由于Fe3O4的反尖晶石结构和固有的磁性，二维结构纳米片的制备被认为是非常困难的。最近Zou、Zhong等人分别在Nanotechnology (16(2005): 1584)和Adv Mater (18(2006): 2426) 上报道了团聚在一起的Fe3O4纳米片或纳米片组装的纳米花，但反应要求较苛刻，工艺较复杂。一定形貌纳米Fe3O4作为润滑油添加剂对润滑油摩擦学性能的影响尚未开展研究。

本文采用设备简单、反应条件温和、利于形貌控制、易于工业化等优点的液相化学法，在水体系中，以硫酸亚铁为母体，引入吐温-80（Tween-80）作为修饰剂，在一定温度下，利用水合肼作氧化剂，获得四氧化三铁纳米片，并研究所制备的样品作为基础油液体石蜡添加剂的摩擦磨损性能。

1 实验部分

1.1 原材料

实验中所使用的硫酸亚铁、无水乙醇、Tween-80均为分析纯试剂，水合肼(85%)均为化学纯试剂，水为二次蒸馏水。

1.2 纳米四氧化三铁的制备

配制2％（体积百分比）的Tween-80水溶液50ml。在该水溶液中加入6.9892g硫酸亚铁固体，充分溶解成溶液。过滤，取其滤液转移至圆底烧瓶。水浴加热至80±2℃。将5.8890g 85％（质量百分比）的水合肼一次性加入烧瓶。恒温反应4h。反应终了自然冷却至室温，得到黑色纳米四氧化三铁。离心分离，蒸馏水、乙醇洗涤，再离心分离，在50℃下真空干燥4小时，即得Fe3O4纳米片。

1.3 纳米四氧化三铁的表征

将产物均匀涂布于玻璃片上，用Rigaku, D-max 2200型X射线粉末衍射仪进行相组成、晶型分析，Cu-Kα射线，石墨单色器，管电压50 kV，管电流100 mA，扫描速度为5︒/min。

将产物以乙醇分散，并经超声波超声振荡10 min，滴在喷有无定型石墨的铜网上，晾干后，用Phillips TECNAI-12型透射电子显微镜（加速电压为100-120kV）观察产物形貌、大小及团聚状况。

将产物均匀覆盖在载台上，并经喷金处理，用S-4800Ⅱ场发射扫描电镜（SEM）检测，从SEM图像中观测产物的形貌、大小及团聚状态。

将产物以蒸馏水分散，并经超声波超声振荡10 min，用BIC9010高浓度激光粒度仪检测产物的分散状况及粒径大小。

1.4 纳米四氧化三铁作为基础油添加剂的摩擦学试验

取基础油液体石蜡（LP）、添加有5％（质量比）Fe3O4纳米片的LP分别为S0和S1样品，分别在UNT-Ⅱ摩擦磨损实验机上考察所制备纳米Fe3O4样品作为LP添加剂对LP抗磨减摩性能的影响。

实验时摩擦副上试样为直径4mm的GCr15轴承钢球，硬度61-63 HRC，下试样为普通45#碳钢，尺寸Φ20mm.×6.0mm，硬度210HB。实验前下试样用丙酮超声清洗10min。实验条件：载荷15 N，转速382 r/min，摩擦方式旋转，时间60 min，旋转半径5mm，摩擦线速度0.2m/s。试验过程中直接从UNT-Ⅱ摩擦磨损实验机联机电脑上获得摩擦系数随时间变化曲线图。实验结束后，用丙酮超声清洗下试样，用S-4800Ⅱ场发射扫描电镜（SEM）观察上试样磨痕形貌。

2 实验结果与讨论

2.1 纳米四氧化三铁的化学结构