外磁場(chǎng)誘導(dǎo)Fe3O4 顆粒制備裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化及不同形貌納米Fe3O4 顆粒制備

胡大為

（廣東芬芳陶瓷有限公司, 廣東廣州510641）

納米顆粒材料的性能不僅取決于化學(xué)成分，還與顆粒的結(jié)構(gòu)和形貌密切相關(guān)[1]，并有可能直接決定其應(yīng)用性能[2]，因此，納米顆粒材料制備過程中的結(jié)構(gòu)和形貌控制研究，成為材料科學(xué)研究的前沿之一。根據(jù)晶體的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)原理，納米顆粒的形成過程是高度的動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)過程，納米晶粒會(huì)朝著具有最低能量的形狀方向生長(zhǎng)。Fe3O4具有亞鐵磁性，屬立方反尖晶石結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中氧原子形成緊密堆積，鐵原子分布于四面體和八面體空隙內(nèi)，形成初始的Fe3O4四方體晶核以后，實(shí)驗(yàn)條件的改變，可為Fe3O4晶核創(chuàng)造不同的生長(zhǎng)環(huán)境，改變顆粒的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而得到不同形貌的Fe3O4納米顆粒。本研究通過優(yōu)化設(shè)計(jì)磁場(chǎng)誘導(dǎo)氧化共沉淀法制備納米Fe3O4顆粒的裝置，并通過調(diào)節(jié)弱外磁場(chǎng)和改變反應(yīng)條件相結(jié)合的方法，制備得到不同形貌的納米Fe3O4顆粒。

1 外磁場(chǎng)誘導(dǎo)氧化共沉淀法制備納米Fe3O4 顆粒裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化

本研究中，采用自行設(shè)計(jì)的基于弱外磁場(chǎng)輔助氧化共沉淀法制備納米Fe3O4顆粒的反應(yīng)器，制備不同形貌的納米Fe3O4顆粒，為能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)磁場(chǎng)分布均勻，本研究中采用Ansys 軟件，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行建模和有限元分析，分析反應(yīng)器內(nèi)磁場(chǎng)的分布情況與反應(yīng)器尺寸、外加電磁場(chǎng)線圈大小等設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系，優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)[3]。

1.1 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)反應(yīng)器如圖1 所示。

圖1 弱外磁場(chǎng)輔助納米Fe3O4 顆粒合成裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of a synthesis system with an assistance external magnetic field

1.2 Ansys 電磁分析方法

利用ANSYS/Emag 或ANSYS/Multiphysics 模塊中的電磁場(chǎng)分析功能，ANSYS 可分析計(jì)算設(shè)備的電磁場(chǎng)分布情況。ANSYS 電磁場(chǎng)分析以Maxwell 方程組作為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn)，其利用有限元方法計(jì)算未知量（自由度），主要是磁位或通量，然后由這些自由度導(dǎo)出其他的物理量。根據(jù)用戶所選擇的單元類型和單元選項(xiàng)的不同，ANSYS 計(jì)算的自由度可以是標(biāo)量磁位、矢量磁位或邊界通量。

1.3 Ansys 建模

根據(jù)設(shè)計(jì)的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，運(yùn)用Ansys 軟件對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立有限元分析模型，如圖2 所示。

圖2 反應(yīng)器的Ansys 分析簡(jiǎn)化模型Fig.2 Ansys analysis simplified model of the reactor

1.4 反應(yīng)器尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.4.1 反應(yīng)器高度對(duì)反應(yīng)器內(nèi)磁場(chǎng)分布的影響

由于試驗(yàn)所采用的磁場(chǎng)為兩塊相疊電磁鐵所提供，其磁力線空間分布會(huì)受到電磁鐵之間的空間距離的影響，為保證反應(yīng)器內(nèi)磁力線的分布盡量平行，本研究中對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部高度為150mm、120mm 和100mm 進(jìn)行Ansys模擬分析。具體步驟如下：

（1）對(duì)建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Model meshing

（2）對(duì)模型施加邊界條件后，進(jìn)行反應(yīng)器靜態(tài)磁場(chǎng)分析，通過Ansys 軟件計(jì)算分析后，得到不同反應(yīng)空間高度的磁力線分布圖，如圖4 所示。

圖4 反應(yīng)器內(nèi)部不同高度時(shí)的磁力線分布Fig.4 Magnetic force lines distribution at different reactor inside heights

從圖4 中可以看出，隨著反應(yīng)器內(nèi)部空間高度的減小，磁力線在反應(yīng)器內(nèi)部的分布越接近平行分布，反應(yīng)器內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布也相對(duì)越均勻。根據(jù)模擬分析的結(jié)果和實(shí)際操作過程中的需要，本研究中設(shè)計(jì)反應(yīng)器內(nèi)部空間的高度定位100mm。

1.4.2 電磁鐵直徑對(duì)磁力線分布的影響

由于電磁鐵的邊沿磁力線密集，因此，電磁鐵的直徑大小將對(duì)空間磁力線的分布產(chǎn)生較大影響。本研究中對(duì)電磁鐵直徑為130mm、110mm 和100mm 進(jìn)行Ansys模擬分析。具體結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同直徑大小電磁鐵對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部磁力線分布的影響Fig.5 Impact of electromagnet diameters on magnetic force lines distribution inside of the reactor

從圖5 中可以看出，隨著電磁鐵直徑的縮小，反應(yīng)器內(nèi)部的磁力線集中區(qū)域越多，導(dǎo)致磁力線分布越不均勻。本研究中根據(jù)模擬分析的結(jié)果和實(shí)際操作需要，選定電磁鐵的直徑為130mm。綜上所述，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化本研究中設(shè)計(jì)的合成反應(yīng)器，確定反應(yīng)器的參數(shù)為：反應(yīng)器內(nèi)部高度100mm、電磁鐵直徑130mm、反應(yīng)器內(nèi)部直徑109mm。

2 不同形貌納米Fe3O4 顆粒制備

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及主要儀器設(shè)備

主要原料為：FeCl2（AR，廣東臺(tái)山粵僑試劑塑料有限公司），NaOH（AR，天津市百世化工有限公司），H2O2（AR，天津市百世化工有限公司）。

主要儀器設(shè)備：電磁線圈（自制），可調(diào)速攪拌機(jī)（IKA LABORTECHNIK Corp.），恒溫水浴（上海錦屏儀器儀表有限公司），高精度直流穩(wěn)壓電源（香港龍威儀器儀表有限公司）。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

典型步驟 如 下：將100mL 2mol·L-1的NaOH 溶 液置于有機(jī)反應(yīng)容器中，水浴加熱至預(yù)定溫度70℃，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將100mL 一定濃度的FeCl2溶液，以5 mL·min-1的速度，勻速滴入到NaOH 溶液中，邊滴加邊攪拌，滴加完畢后，充分?jǐn)嚢?min，得到灰綠色的Fe(OH)2懸濁液。開啟電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，然后將化學(xué)計(jì)量的H2O2溶液，以1 mL·min-1的速度，勻速滴入于上述懸濁液中，滴加完后，使體系保持反應(yīng)一定時(shí)間3h，得到黑色懸濁液，采用永磁鐵進(jìn)行磁分離后，所得黑色沉淀，用脫氧水洗滌5 次后于80℃下真空干燥24h得到試樣。

2.3 不同形貌納米Fe3O4 顆粒的制備

參照Hu 等[4-5]的控制方法，本研究中合成制備出具有六方片狀形貌、正八面體形貌和無規(guī)則形貌的納米Fe3O4顆粒（如圖6 所示）。

圖6 不同形貌納米Fe3O4 顆粒Fig.6 SEM images of Fe3O4 particles with various morphologies

3 結(jié)論

本文通過Ansys 磁分析工具，優(yōu)化設(shè)計(jì)反應(yīng)器尺寸，優(yōu)化反應(yīng)器空間磁場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)了外磁場(chǎng)輔助氧化共沉淀法制備納米Fe3O4顆粒的裝置；通過調(diào)整操作參數(shù)，制備得到了具有六方片狀、正八面體和無規(guī)則形貌的納米Fe3O4顆粒。