Fe3O4磁流體的制備方法及其應用

張海霞

【摘 要】本文綜述了近年來Fe3O4磁流體的制備方法，如化學共沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱合成法等研究進展，并比較了各種方法的特點；同時，對Fe3O4磁流體在密封技術、污水處理以及磁熱療等方面的應用及發展趨勢進行了論述，以期待對Fe3O4磁流體的制備及應用有較全面的了解。

【關鍵詞】Fe3O4；磁流體；制備方法；應用

磁流體，也稱磁性液體，一般由加入表面活性劑包覆的磁性顆粒（直徑約為10nm）分布于基液中而形成的膠體溶液。由于Fe3O4納米粒子具有飽和磁化強度高等特點，故常用作磁流體的磁性粒子，并將其制成磁性液體（即磁流體），它既有固體的強磁性又有液體的流變性，其流動性和分布可由外加磁場實施定向和定位控制，因此在機械、環保、醫療、儀表、環保等方面有廣闊的應用前景。本文就磁流體的制備及應用進行概述，以期待為今后的研究應用提供參考。

1 磁流體的制備

目前制備Fe3O4磁流體的方法很多，如工藝較為成熟的共沉淀法，研究比較多的溶膠-凝膠法、水熱合成法等，下面將對各種方法的研究進展進行論述。

1.1 化學共沉淀法

向含有一種以上的陽離子的溶液中添加沉淀劑，將所有的陽離子都沉淀出來的方法叫做共沉淀法。化學共沉淀法是目前制備Fe3O4顆粒最常用的方法之一，該方法是以Fe2++2Fe3++8OH-=Fe3O4+4H2O基本原理進行的，通常是將Fe2+和Fe3+溶液以一定的比例混合，在一定pH值和溫度下，加入沉淀劑，形成不溶性的水合氧化物從溶液中析出，然后加入表面活性劑，提高顆粒的分散性。成本低廉、操作簡單、易于大規模生產的共沉淀法被廣泛的采用。但此方法，容易產生團聚而發生沉降，導致溶液磁響應性和穩定性下降。為了制備出粒徑均一，磁相應性強且性能穩定的磁流體，武漢理工大學化學工程學院徐海星等對工藝進行了優化，通過對磁流體進行表征。結果表明，所制備的磁流體具有超順磁性，粒徑約為16nm，飽和磁化強度在73.8emu/g以上。總的來說，化學共沉淀法反應條件溫和、操作簡單的共沉淀法，極易推廣和實現，是制備磁流體的主要方法。

1.2 溶膠-凝膠法（sol-gel）

溶膠-凝膠法是將金屬有機或無機化合物經溶液制成溶膠，在一定條件下（如加熱）脫水，使具有流動性的溶膠逐漸變稠，成為略顯彈性的固體凝膠。這種方法能夠比較嚴格地區分晶體結晶成核和生長，避免晶粒在生長過程中的大量聚沉現象，從而獲得單分散的納米顆粒。溶膠-凝膠法的優點是能夠保證嚴格控制化學計量比，制備過程產物純度高、能耗相對較低、分散性好、粒徑均勻等優點，因而得到了廣泛的應用。但其所用原料多為有機物，尤其是其金屬醇鹽毒性較大，且價格昂貴，而且其產量受到限制且成本較高。東南大學分子與生物分子電子學教育部重點實驗室周潔等在水溶液體系中用溶膠凝膠的方法通過改變各反應物的濃度制備不同尺寸的Fe3O4磁性顆粒。

1.3 水熱合成法

水熱合成法是在密閉容器中，以水為介質在高溫高壓下反應合成物質，然后進行分離和熱處理得到納米微粒。水熱反應是在高溫高壓條件下進行的，因而能夠促進水解反應的進行，水作為溶劑也會參加反應，既是膨化促進劑也是壓力傳遞介質。納米Fe3O4的磁性取決于它的尺寸和形狀，因此控制顆粒的形狀尺寸就顯得非常重要。采用水熱法制備的單晶結晶度高，高結晶度的納米Fe3O4的合成通常采用水熱法。上海理工大學理學院李文烈等采用水熱法制備出水基Fe3O4@PFR磁性納米流體，對其進行表征。結果表明，在室溫下表現超順磁性，Fe3O4@PFR磁性納米流體具有很好的穩定性和生物相容性。水熱合成法容易制得結晶度高的單分散超順磁性納米顆粒，但是該方法受表面活性劑的影響比較大，且水熱合成法的成本也比較高。

1.4 其他方法

除了以上幾種常用的制備方法外，人們還研究開發了一些其他制備Fe3O4磁流體的方法，如微乳液法、相轉移法、有機模板法，回流法等。隨著研究的進一步深入，將會出現更多新穎的Fe3O4磁流體的制備方法。

2 磁流體的應用

2.1 密封技術

由于磁流體既有流動性又具有磁性，可在磁場作用下移動，并能固定于某個特定的位置，因此在一些特殊的密封和潤滑過程中，Fe3O4磁流體有著不可取代的作用。蘭州理工大學磁物理與磁技術研究所婁磊等介紹了離心泵旋轉軸的磁流體密封技術，結果表明：隨磁流體量的增加和磁極極數的增多而提高，但當磁流體量超過臨界值和極數超過5極后，磁流體密封的承壓能力保持在某一恒定值。

2.2 污水處理

隨著工業化的快速發展，隨之帶來的水污染越來越嚴重，特別是水體中的金屬離子、難降解有機污染物等，處理后不易分離，如果采用磁性的吸附材料就能比較容易地進行分離。東華理工大學應用化學系劉峰等采用共沉淀法制備了粒徑為10nm的Fe3O4磁性微粒，用此磁流體對模擬與實際廢水中的Cr（Ⅵ）進行了吸附研究。結果表明，在最佳實驗條件下，磁流體對實際廢水中Cr（Ⅵ）的飽和吸附量達66.5mg/g，廢水中殘留Cr（Ⅵ）濃度為0.2mg/L，低于工業廢水排放的國家標準（0.5mg/L）。

2.3 磁熱療

熱療是利用超順磁性Fe3O4納米晶能有效將磁場振動能轉化為熱能這一特點，從而升高腫瘤組織的溫度來殺死病變細胞。昆明醫學院第一附屬醫院生物治療中心王露芳等觀察磁流體在交變磁場中的升溫行為并探討其作為熱療介質應用于小鼠胰腺癌細胞的熱療效應。結果表明：腫瘤治療用磁流體可以在交變磁場中產熱，通過改變磁流體濃度可進行溫度控制。

3 結語

由于納米Fe3O4顆粒粒徑較小，比表面積大，且本身又具有磁性，容易發生團聚，這一直是Fe3O4磁流體制備過程中存在的最大問題。隨著我國對合成新材料的迫切需求，對納米Fe3O4磁流體的開發提出了更高的要求，如何制備粒徑可控且分布均勻的磁性納米Fe3O4微粒依然是今后研究的熱點與重點；同時，納米Fe3O4磁流體的應用性研究也極為重要。

[責任編輯：湯靜]