全氟碳油基磁性液体的制备

孙维民， 鲁一宁， 尹宾宾， 郑 卓

(沈阳工业大学 理学院， 沈阳 110870)

全氟碳油基磁性液体的制备

孙维民， 鲁一宁， 尹宾宾， 郑 卓

(沈阳工业大学 理学院， 沈阳 110870)

为了扩展Fe-Ni合金纳米粒子的应用，采用直流电弧等离子体法在55%Ar+25%H2+20%SiH4的混合气氛中制备了SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子，并用其作为磁性粒子、油酸和十二烷基苯磺酸钠的混合液为表面活性剂、全氟碳油为基液制备了磁性液体。用黏度计和震动样品磁强计测试了制备的全氟碳油基磁性液体的黏度和磁性。结果表明，用SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子作为磁性粒子制备的全氟碳油基磁性液体，在25 ℃，黏度为36.6～75.3 Pa·s；85 ℃，黏度为10.9～38.6 Pa·s；室温下饱和磁化强度为4.6～15.5 A·m2/kg。

全氟碳油； 磁性液体； 纳米粒子； 核/壳结构

0 引 言

随着科学技术的不断发展，对转动部位的密封与润滑用材料的要求也越来越高，人们不断探索各种密封与润滑用材料的制备方法[1-3]、特性[4-5]及应用领域[6-12]。针对有些转动部位使用传统润滑油时，在重力、离心力的作用下会产生泄漏、飞溅等现象，这些问题将缩短器件的使用寿命，并且造成资源浪费和环境污染[13-15]。由于全氟碳油具有优异的化学惰性、高的热稳定性、不燃性和良好的润滑性，SiO2具有屏蔽磁性粒子间的偶极相互作用、阻止磁性粒子团聚和极好的稳定性的优点，同时纳米SiO2作为添加剂添加到基础油中可以显著提高基础油的承载能力和抗磨能力，是良好的润滑油添加剂之一[16]。本文尝试用全氟碳油为基液，SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子为磁性粒子，油酸和十二烷基苯磺酸钠的混合液为表面活性剂，开发一种既可用于机械密封，同时又具有良好润滑功能的全氟碳油基磁性液体。

1 实验方法

1.1 SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子的制备

以纯度为99.5%(质量百分数)的Fe-Ni合金棒为原料(阳极)，W棒为阴极，在总压力为80 kPa的55%Ar+25%H2+20%SiH4的混合气氛中，用直流电弧等离子体熔化Fe-Ni合金制备Si包覆Fe-Ni合金纳米粒子，制备时间2～6 h。然后用气流使其悬浮在1%O2+99%Ar的混合气体中4～6 h进行钝化处理，即获得SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子。

由图1可知，SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子呈类球形，粒度分布为20～60 nm，高倍数形貌照片表明，表面上明显有包覆层，其厚度为3～4 nm。

(b) 单粒子

图2为制备的SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子的X射线光电子谱。由图中结合能可知，粒子的表面包覆物为SiO2，两处高能峰来自内核的Fe、Ni。

图2 SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子的X射线光电子谱

图3为SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子在室温时的磁滞回线，其饱和磁化强度M为60 A·m2/kg。

图3 SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子在室温下的磁滞回线

1.2 油酸和十二烷基苯磺酸钠修饰的SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子的制备

首先配制质量比为2∶1的油酸和十二烷基苯磺酸钠混合溶液，然后放入高压反应釜中，在压力0.5 MPa、温度90 ℃的条件下搅拌30 min，当高压反应釜中的压力和温度降到常压和室温后，得到质量比为2∶1混合均匀的油酸和十二烷基苯磺酸钠的混合溶液。然后再把SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子放入高压反应釜中，在压力1 MPa、温度50 ℃条件下搅拌60 min，即获得油酸和十二烷基苯磺酸钠修饰的SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子。

1.3 全氟碳油基磁性液体的制备

全氟碳油基磁性液体的质量组成为：油酸和十二烷基苯磺酸钠修饰的SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子5%～25%，全氟碳油75%～95%，以上配方比例按质量份计算。其制备方法是：①按全氟碳油基磁性液体的组成配方分别称取油酸和十二烷基苯磺酸钠修饰的SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子、全氟碳油；②先将全氟碳油加热到40～45 ℃，再将油酸和十二烷基苯磺酸钠修饰的SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子放入，在机械搅拌下用超声波震荡6～10 min，然后再加热到60～65 ℃并恒温8～10 min，再自然冷却到室温，即制备出全氟碳油基磁性液体。

2 全氟碳油基磁性液体的黏度

图4给出了制备的全氟碳油基磁性液体的黏度与SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子浓度、温度关系。从图可知，全氟碳油基磁性液体的黏度随SiO2包覆Fe-Ni合金纳粒子质量分数的增加而增大，随着温度的升高而降低，但并不是严格的线性关系。在25 ℃时黏度范围为36.6～75.3 Pa·s，在85 ℃时黏度范围为10.9～38.6 Pa·s。

3 全氟碳油基磁性液体的磁性

图5为全氟碳油基磁性液体中SiO2包覆Fe-Ni合金纳粒子含量为5%时，在室温下的磁滞回线，其饱和磁化强度为4.6 A·m2/kg。

图4 磁性液体的黏度与SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子浓度、温度的关系

图5 磁性液体中SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子含量为5%时的磁滞回线

图6给出了制备的全氟碳油基磁性液体在室温时饱和磁化强度与SiO2包覆Fe-Ni合金纳粒子浓度的关系。从图可知，全氟碳油基磁性液体的饱和磁化强度随SiO2包覆Fe-Ni合金纳粒子含量的增加而增大，但并非严格的线性关系，室温下饱和磁化强度范围为4.6～15.5 A·m2/kg。

图6 磁性液体在室温时饱和磁化强度与SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子浓度的关系

4 结 论

(1)用直流电弧等离子体法，在55%Ar+25%H2+20%SiH4的混合气氛中制备了SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子，粒子呈类球形，粒度分布为20～60 nm，表面上包覆的SiO2厚度为3～4 nm。

(2)用制备的SiO2包覆Fe-Ni合金纳米粒子作为磁性粒子，油酸和十二烷基苯磺酸钠的混合液为表面活性剂，全氟碳油为基液制备了磁性液体。制备的全氟碳油基磁性液体，在25 ℃，黏度为36.6～75.3 Pa·s，85 ℃时黏度为10.9～38.6 Pa·s，室温下饱和磁化强度为4.6～15.5 A·m2/kg。

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Researches on Preparation of Fluorocarbon Oil-based Magnetic Liquid

SUNWei-min,LUYi-ning,YINBin-bin,ZHENGZhuo

(College of Science, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to extend the application of Fe-Ni alloy nanoparticles, Fe-Ni alloy nanoparticles coated by SiO2 were prepared by DC arc discharge evaporating Fe-Ni alloy in 55%Ar+25%H2+20%SiH4atmosphere. The fluorocarbon oil-based magnetic liquid was prepared. Fe-Ni alloy nanoparticles coated by SiO2were used as magnetic particle, oleic acid and sodium dodecylbenzene sulphonate as surfactant, fluorocarbon oil as base solution. The viscosity and magnetic of magnetic liquid were studied by viscometer and vibrating sample magnetometer. Result showed the viscosity of magnetic liquid was in range from 36.6—75.3 Pa·s at 25 ℃. When temperature was at 85 ℃, the viscosity was in range from 10.9—38.6 Pa·s. At room temperature, the saturation magnetization is in range from 4.6—15.5 A·m2/kg.

fluorocarbon oil; magnetic liquid; nanoparticles; core/shell structure

2016-04-15

辽宁省自然科学基金资助项目(201102166)

孙维民(1960-)，男，山东烟台人，博士，教授，主要研究方向：纳米材料的制备、物性及应用。

Tel.：024-25497125；E-mail:sunwm1983@126.com

TB 383； TE 626

A

1006-7167(2017)01-0062-03