超声波作用下纳米氧化铁红的制备研究

史博川

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110166）

超声波是一种波长为100mm～0.1mm，频率在10kHz～106kHz的机械波，波速约为1450m/s～1500m/s。超声波也是一种波动形式，可以作为探测与负载信息的载体。并且超声波也是一种能量形式，它能够引发新的反应通道或加快化学反应。

超声波在传播过程中与介质相互作用，振幅和相位发生改变，使物质的一些化学、物理和生物状态或特性发生改变，或是加速这种改变的进程，因而发生一系列效应，如化学、热学、力学和生物效应等。这种效应可总结为以下三种基本作用：空化作用、热作用、机械作用。

目前，声空化作用引发的化学和特定物理环境为制取纳米级材料提供了新的途径，声空化方法逐步成为制备特定功能材料的一项新技术，主要涵盖超声雾化法、超声化学法等。

纳米材料含有大量处于晶粒内和晶界缺陷中心的原子，晶粒细小，材料具有量子尺寸效应、表面效应、体积效应和宏观隧道效应。纳米材料在力学、催化、磁性、光学等方面具有很多特殊的性能。β-Fe2O3和α-Fe2O3是纳米米氧化铁红主要成分。纳米氧化铁红除了具有普通氧化铁的无毒、耐腐蚀等特点外，还具有色泽艳丽、分散性高、对紫外线具有良好屏蔽和吸收效应等特点。

制备纳米氧化铁红的方法较多，按物料反应状态来分，可以分为干法和湿法。湿法一般以Fe2(SO4)3、FeSO4、Fe(NO3)3或FeC13为原料，应用水热法、沉淀法、胶体化学法、强迫水解法等制备。湿法是近年工业上和实验室普遍采用的制备纳米粉体的方法。

1 实验内容

实验采用沉淀法制备纳米氧化铁红，在可溶性的铁盐溶液里加入NaOH作为沉淀剂，形成不溶性的氢氧化铁，从反应溶液中析出沉淀相，将原有的杂质阴离子从溶液和溶质中洗去，通过焙烧后制得所需的纳米氧化铁红粉体。

为了验证超声波对制备纳米氧化铁红纳米粒子性能的影响，设计如下实验:超声波(频率为40 kHz，功率140W)、机械搅拌(搅拌速度=700/rpm)、溶液pH值13.5，温度80℃，反应时间60 min，在制备Fe(OH)3沉淀反应阶段，采用如下方式：

（1）机械搅拌作用；

（2）超声波和机械搅拌共同作用；

最后将两种方式制备出的Fe(OH)3沉淀在相同的焙烧条件下焙烧即：焙烧温度800℃，焙烧时间120min，最后对两种纳米氧化铁红进行对比分析。

图1 不同的作用方式下的扫描电镜图

2 实验结果及讨论

两种条件下反应制得的氢氧化铁粒子经过洗涤、过滤和烘干，并在730℃下焙烧120min，将制取的纳米粉体进行SEM扫描电镜分析，如图1(a)、(b)、(c)、(d)所示。

分析结果表明：在超声波和机械搅拌共同作用下，沉淀速度加快，体系颜色变化加快，生成的粒子粒径小；单机械搅拌作用下，沉淀及氧化速率慢，在搅拌反应25min后反应溶液体系才出现色泽的改变，同时反应时间较长；结果表明，图(b)、(d)中α-Fe2O3纳米颗粒粒度小，平均粒径在50nm～100nm，基本为均匀球状形态，团聚现象不明显；而图(a)、(c)中α-Fe2O3纳米颗粒尺寸较大，团聚现象显著，纳米粒子尺寸分布不均匀且球状形态不明显。

沉淀相的成核和生长过程是化学沉淀法制备纳米材料的关键。沉淀反应中晶核生长过程和晶核成核过程互相竞争，颗粒生长速度大于成核速度，反应生成的晶粒越大；颗粒成核速度大于生长速度，反应生成的晶粒越小。化学沉淀法制取的纳米材料晶粒粒径主要决定于晶核生长和生成的相对速度。纳米氧化铁制备过程中，反应体系在超声场作用下，产生了空化效应。反应液历经超声波的压缩相和稀疏相时，气泡收缩、生长、再收缩、再生长，反复多次周期性振荡，最后发生高速分裂。在裂解过程中产生高速射流和剧烈冲击波，射流的时速可达450km/h，同时在固液表面发生剧烈的冲击效应，因而使固体晶粒粒子分散，消除晶粒的团聚效应。

3 结论

通过超声波对可溶性的铁盐溶液进行有效处理，应用沉淀法浸出铁的固相沉淀经过碱洗净化处理，研磨成粉末状进行焙烧制备纳米氧化铁红研究，考察了超声波作用对制备纳米氧化铁红的影响，研究结果表明：超声波场应用于纳米氧化铁的制备过程中有如下作用：有利于晶粒成核，在沉淀反应过程中增加晶核数量，晶粒粒径尺寸降低，提高纳米材料性能。由于空化效应产生的高速射流和剧烈冲击波，能够切断和破碎粒子，降低晶粒团聚几率。超声波引发的混合作用使反应体系更分散均匀。单独机械搅拌作用下，制取的成品晶粒粒径大，沉淀反应速率慢；在超声波和机械搅拌同时作用下，纳米氧化铁粒子粒径小，加快了沉淀反应速率，并降低了晶粒团聚几率。在超声波作用下制得粒径均匀的球形粉体纳米铁红，平均粒径在50nm～100nm之间，物化性能优越。