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纳米四氧化三铁的应用


纳米四氧化三铁的应用
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, 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, 黑色或灰蓝色 。 四氧化三铁是一种铁酸盐 , 即 Fe2+Fe3+ (即 FeFe(FeO4) 2+和 3+代表铁的价态 。 代表铁的价态) (Fe3+O4) 即 FeFe

(FeO4)前面 2+和 3+代表铁的价态) Fe3+O4) ( 铁显两种价态,一个铁原子显+2 在 Fe3O4 里,铁显两种价态,一个铁原子显+2 价,两个铁原 子显+3 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, FeO·Fe2O3, 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。 化学式: Fe3O4, 组成的混合物 , 它属于纯净物 。 化学式 : Fe3O4 , 分子量 231.54,硬度很大,具有磁性,可以看成是氧化亚铁和氧化 231.54,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, 密度 5.18g/cm3。 5.18g/cm3。 铁组成的化合物。 逆尖晶石型、 立方晶系, 1867.5K(1594.5℃ 它不溶于水,也不能与水反应。 熔点 1867.5K(1594.5℃)。它不溶于水,也不能与水反应。 与酸反应,不溶于碱,也不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。 与酸反应,不溶于碱,也不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。 在外磁场下能够定向 移动, 移动 , 粒径在一定范围之 内具有超顺磁性, 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, 产生热量等特性 , 其化学 性能稳定, 性能稳定 , 因而用途相当 广泛。 广泛。 纳米四氧化三铁置于 介质中,采用胶溶化法和添加改性剂及分散剂的方法, 介质中,采用胶溶化法和添加改性剂及分散剂的方法,通过

在颗粒表面形成吸附双电层结构阻止纳米粒子团聚, 在颗粒表面形成吸附双电层结构阻止纳米粒子团聚,制备稳 定分散的水基和有机基纳米磁性液体。 定分散的水基和有机基纳米磁性液体。制备的磁性液体 2~ 个月都能很好的分散着 磁性液体中颗粒平均粒径为 16~ 能很好的分散着, 16~ 12 个月都能很好的分散着, 之间。 35nm 之间。 通过大量实验,确定了最佳的工艺配方和工艺路线, 通过大量实验,确定了最佳的工艺配方和工艺路线,工 艺简单安全, 能耗低, 并保持了磁性颗粒的粒径在纳米量级, 艺简单安全, 能耗低, 并保持了磁性颗粒的粒径在纳米量级, 并且经磁性能测试可得磁性颗粒具有超顺磁性, 并且经磁性能测试可得磁性颗粒具有超顺磁性,其技术指标 达到并超过国内外磁性纳米四氧化三铁性能, 达到并超过国内外磁性纳米四氧化三铁性能,为国内各种磁 流体的应用提供了基础。 流体的应用提供了基础。

二、 纳米四氧化三铁的配置方法
由于纳米四氧化三铁特殊的理化学性质 , 使其在实际 应用中越来越广泛 , 而其制备方法和性质的研究也得到了 深入的进展。 深入的进展。磁性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、 化学方法。物理方法制备纳米微粒一般采用真空冷凝法、物 般采用真空冷凝法 理粉碎法、机械球磨法等。但是用物理方法制备的样品一产 理粉碎法、机械球磨法等。但是用物理方法制备的样品一产 品一 品纯度低、 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。 采纳。 化学方法主要有共沉淀法、 溶胶 - 凝胶法、 凝胶法、 微乳液法、 化学方法主要有共沉淀法、 微乳液法、 水解法、水热法等。 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 是目前研究、 成本也较低 , 是目前研究、生产中主要采用的方法 。

磁性 Fe3 O4 纳米颗粒的制备方法 目前 , 制备磁性 Fe3O4 纳米颗粒方法的机理已研究 归结起来一般分为两种。 得很透彻 , 归结起来一般分为两种。一是采用二价和三价 纳米颗粒; 铁盐 , 通过一定条件下的反应得到磁性 Fe3O4 纳米颗粒; 另一种则是用三价铁盐 , 在一定条件下转变为三价的氢氧 最后通过烘干、 化物 , 最后通过烘干、煅烧等手段得到磁性 Fe3O4 纳米颗 粒。 (一)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 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 再将沉淀物脱水或热分解而制得纳米微粉。 来 , 再将沉淀物脱水或热分解而制得纳米微粉。 (二)溶胶 - 凝胶法 溶胶 - 凝胶方法 (Sol - Gel) 是日本科学家 Sugimoto 等 于上世纪 90 年代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 。 (三)微乳液法 微乳液是由油、 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、 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 (WΠ 相 , 表面活性剂为乳化剂 , 形成油包水型 (W Π O) 或水 (OΠ 微乳液。 包油 (OΠW) 微乳液。 (四)水热法

水热法是在密闭高压釜内的高温、 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。 而使其反应结晶的一种方法。 (五)其他制备方法 除了以上几种常见的制备方法外 人们还开, 除了 以上几种常见的制备方法外 人们还开 , 发了一些制备 的方法。如水解法、多元醇还原法、前驱体热分解法、 Fe3O4 的方法。如水解法、多元醇还原法、前驱体热分解法、 溶剂热法等 。由于上述方法对实验设备和制备条件方面的 因而大多数也只停留在研究阶段。 要求相对高一些 , 因而大多数也只停留在研究阶段。

三、

纳米四氧化三铁的应用

当粒子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、 寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等的 使其具有不同于常规体相材料的特殊的磁性质。 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。 也使其在工业、生物医药等领域有着特殊的应用。 (一)生物医药 磁性高分子微球(也称免疫磁性微球) 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 和高分子骨架材料制备而成的生物医用材料, 子材料包括聚苯乙烯、硅烷、聚乙烯、聚丙烯酸、淀粉、 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, 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。 Fe3O4 因具有物料性质稳定、 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, 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、 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, 物载体、肿瘤热疗技术、细胞标记和分离,以及作为增强显

影剂、造影剂的研究、视网膜脱离的修复手术等。 影剂、造影剂的研究、视网膜脱离的修复手术等。 尤其在治癌导向药物载体和肿瘤磁过热疗方面, 尤其在治癌导向药物载体和肿瘤磁过热疗方面, 目前已成 为国内研究的重点和热点。磁性四氧化三铁(中药名磁石) 为国内研究的重点和热点。磁性四氧化三铁(中药名磁石)主 安神,聪耳明目,纳气平喘.用于头晕目眩,视物昏花, 治 : 安神 , 聪耳明目 , 纳气平喘 . 用于头晕目眩 , 视物昏花 , 耳 鸣,耳聋,肾虚气喘,惊痫,怔仲等症. 耳聋,肾虚气喘,惊痫,怔仲等症. (二)磁性液体 磁性液体是一种新型功能材料, 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 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, 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、 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 不产生沉淀与分离。目前, 矿技术、精密研磨、磁性液体阻尼装置、磁性液体密封、 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、 性液体轴承、 磁性液体印刷、 磁性液体润滑、 体润滑 磁性液体燃料、 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、 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 (三)催化剂载体 Fe3O4 颗粒在很多工业反应中被用作催化剂 , 如制取 制氨法) NH3 (Haber 制氨法) 、高温水气转移反应和天然气的去硫 反应等 。由于 Fe3O4 纳米微粒尺寸小 , 比表面积大 , 且 纳米颗粒表面光滑性差 , 形成了凹凸不平的原子台阶 , 增加了化学反应的接触面。 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 既保持了催化剂高的催化性能 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。 于回收。因此 , Fe3O4 颗粒被大量应用于催化剂载体研究 中。 (四) 微波吸波材料 纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具 以及光吸收、 备的光学特性 , 如光学非线性 , 以及光吸收、光反射过程 中的能量损耗等 , 都与纳米微粒的尺寸有很大的依赖关 系。研究表明 , 利用纳米微粒的特殊的光学特性制备成各 种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。 种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目 前关于这方面研究还处在实验室阶段。 前关于这方面研究还处在实验室阶段。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 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。 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。 用在微波吸收方面。 (五) 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。 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。 的高密度。为了达到最好的记录效果 , 纳米 Fe3O4 颗粒必 尺寸较小、耐腐蚀、 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 。 (六)磁性密封 磁性液体又称磁流体或铁磁流体, 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、 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) 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。 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 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, 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。 型环, 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 精密机械、气体密封、真空密封、压力密封等; 应用最广,可实现零泄漏,具有密封液用量少、防震、 应用最广,可实现零泄漏,具有密封液用量少、防震、无机 液用量少 械磨损、小磨擦、低功耗、无老化、自润滑、寿命长、 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、 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。 密封可靠等优点。 (七)磁保健 众所周知,人体具有生物磁场, 众所周知,人体具有生物磁场,人体的每一个细胞都是 一个磁微单元, 一个磁微单元,因此外界磁场的变化都会影响人体的生理机 能。据报道可知,磁场对人体的神经系统、心脏功能、血液 据报道可知,磁场对人体的神经系统、心脏功能、 成份、血管系统、血脂、血液流变学、免疫功能、 成份、血管系统、血脂、血液流变学、免疫功能、内分泌功 能和的活性等具有影响作用。因此, 能和的活性等具有影响作用。因此,对人体具有疾病治疗和 保健作用。基于这种原理,我们发明了纳米磁性粉体, 保健作用。基于这种原理,我们发明了纳米磁性粉体,使添 加此种粉体的产品达到调整人体机能和提高抗病能力, 加此种粉体的产品达到调整人体机能和提高抗病能力,起到 提高抗病能力

医疗保健作用的。制得的水基磁性液体稳定性很好, 医疗保健作用的。制得的水基磁性液体稳定性很好,放置几 个月仍能均匀分散。因此, 个月仍能均匀分散。因此,可将水基磁性液体作为一 种类 似于磁性颜料易于添加到各种产品中; 似于磁性颜料易于添加到各种产品中 ; 可广泛用于各类化 纤、塑料、橡胶等,是保健产品、养生产品的极佳添加材料。 塑料、橡胶等,是保健产品、养生产品的极佳添加材料。 目前市场上也存在一些纳米磁性材料的应用产品, 目前市场上也存在一些纳米磁性材料的应用产品,如纳米磁 疗产品,纳米磁疗护膝、纳米磁疗手链等。 疗产品,纳米磁疗护膝、纳米磁疗手链等。

纳米四氧化三铁的应用展望 三、 纳米四氧化三铁的应用展望
随着科学的进步 , 人们对新型材料的需求更加迫切 , 这使得用于纳米科技和生物技术等方面的单分散磁性纳米 颗粒的制备研究工作得到了迅猛发展。 颗粒的制备研究工作得到了迅猛发展。由于制备技术的不断 纳米颗粒尺寸、均匀分布程度、 改进 , 研究者对 Fe3O4 纳米颗粒尺寸、均匀分布程度、形 状、晶体结构、表面结构以及颗粒磁性能等要素都有了进一 晶体结构、 步的控制。 步的控制。以上所述方法中 , 最大的困难在于如何设计出 适当的表面活性剂来处理 Fe3O4 纳米颗粒 , 以便于生物 应用。 如何进行无毒、 医学等方面 应用。另外一个挑战就是 如何进行无毒、无危 险性的大规模,生产。 险性的大规模,生产。


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