一種二元磁性液體及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于磁性材料領域，具體涉及一種二元磁性液體及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 所謂磁性液體（也叫鐵磁流體）（Ferrofluids，magnetic fluids，magnetic liquid)，通常是由粒徑在IOnm左右的強磁性（鐵磁性或亞鐵磁性）顆粒均勻分散在基液 中（fluid carrier)，通過吸附離子（電荷排斥力）或在表面帶上長鏈分子（位力排斥）達 到抗團聚而形成的穩定的膠體體系。納米顆粒通常是鐵磁性金屬、亞鐵磁性等強磁性納米 顆粒，基液通常是水、有機液體或者有機水溶液。
[0003] 由于磁性液體同時具有磁性和流動性，因此具有許多獨特的磁學、流體力學、光學 和聲學特性。如，當磁性液體置于一定強度的均勾磁場，當一束偏振光穿過時，偏振光的電 矢量平行于外磁場方向比垂直于外磁場方向吸收更多，因而呈光學各向異性，將產生法拉 第效應、雙折射效應等一系列磁光效應。磁性液體在交變場中具有磁導率頻散、磁粘滯性等 現象。
[0004] 磁性液體已在許多領域展現出廣泛的應用前景。如：在生物醫學領域具有廣泛的 應用，如：過高熱的惡性腫瘤處理（cancer treatment)，核磁共振（MRI)造影劑，給藥（drug delivery)，DNA雜化及細胞分離等.磁性液體印刷、磁性液體薄膜軸承、聲納系統、磁性藥 物、細胞磁性分離、磁性液體人工發熱器、磁性液體渦輪發電、光學開關、磁性液體剎車、儀 器儀表中的阻尼器、磁性液體發電機、醫療中的造影劑等等。
[0005] 目前，在磁性液體中普遍采用單一化學組分的高（飽和）磁化強度的納米顆粒。其 粒徑總是有一定分布，為多分散體系，以致磁性液體其性質一一微觀結構、磁性、磁光等不 同于單一尺寸的單分散體系，因此在磁性液體的宏觀性質的機理研究上存在很多困難。近 年來，國際上理論研究較多的為雙分散體系模型，即同一化學成份的大、小兩類無尺寸分布 的納米顆粒構成的體系，大顆粒構成場致結構的主體，小顆粒由其相對含量的多少可能抑 制也可能增強場致結構的形成、變化等。因此，雙分散體系的磁性液體可具有新的性質。然 而這樣的尺寸雙分散體系在實驗上是很難實現的。
[0006] 通常，強磁性物質的飽和磁化強度M，遠大于弱磁性物質的感生磁化強度M(= xH)，于是，強磁納米顆粒與弱磁納米顆粒將不會形成場致結構。因此，由強磁性與順磁兩類 納米顆粒所構成的磁性液體可近似為磁雙分散磁性液體。這種磁性液體中的磁性相是強、 弱兩類磁性納米顆粒即兩類磁偶極子構成，所以我們稱之為"二元磁性液體"。目前現有的 雙分散體系實際為尺寸雙分散體系，即指構成磁性液體的顆粒的粒徑有兩種尺寸，一種尺 寸大一些，另一種小一些，但是都是同一種材料。而由強、弱兩類磁性納米顆粒構成的體系 可稱之為"磁雙分散體系"。對于由強磁性顆粒與非磁性微米量級顆粒構成的"復合磁性液 體"，非磁性顆粒粒徑遠大于強磁性顆粒，以致可視非磁性顆粒分散在強磁性顆粒構成的連 續介質中。在外場作用下，非磁性顆粒由于感生的負磁矩而產生相互作用，并可能產生類鏈 結構。"復合磁性液體"的宏觀性質決定于非磁性顆粒的性質及場致結構。
[0007] 目前，常用Massart法制備二元磁性液體，也就是在磁性顆粒表面包裹一層非磁 性層，然后用酸溶解掉一部分，使得表面帶電荷，根據表面電荷之間的排斥力，起到抗團聚、 抗沉淀的效果。由于采用Massart法制備得到的二元磁性液體是依靠顆粒表面的電荷之 間的排斥力抗團聚的，一方面電荷之間的作用力比較弱，另一方面，電荷作用力（庫侖力） 作用距離比較短，因此，采用Massart法制備得到的二元磁性液體時，顆粒的粒徑要求非常 小，否則就容易沉淀，而且要求顆粒的體積分數小于5%，否則就容易發生沉淀。

【發明內容】

[0008] 為了解決現有技術的不足，本發明提供一種二元磁性液體及其制備方法，強磁性 納米顆粒和弱磁性納米顆粒均勻分散在基液和表面活性劑的混合液體中形成穩定的懸浮 液，該懸浮液中的磁性顆粒表面包裹表面活性劑，根據有機物分子之間的排斥力，以及有機 物的長分子，使得磁性顆粒之間不能靠近，從而起到抗團聚，抗沉淀的效果。
[0009] 本發明通過以下技術方案實現：
[0010] -種二元磁性液體，包括基液和表面活性劑的混合液體，該混合液體內均勻分散 有強磁性納米顆粒和弱磁性納米顆粒。
[0011] 由于只有當顆粒間的磁能大于它們之間的熱能的時候，就會產生磁場導致納米顆 粒的團聚。
[0012] Rosens weig把這個比值定義為顆粒之間的相互作用參數，表示為：
[0013]
[0014] 式中μ。代表真空中的磁導率、M表示顆粒的磁化強度、V代表顆粒的體積、Kb為玻 爾茲曼常數、T表示絕對溫度。由于大多數磁性液體中的磁性顆粒都是被表面活性劑包裹 起來的，磁性顆粒不能接觸，所以磁性力只有足夠強的時候才能穿過表面活性劑層。考慮到 表面活性劑的厚度s之后，粒子間的作用參數就可以表示為：
[0015]
[0016] 當λ〈1，說明熱能占主導地位，在磁場作用下顆粒之間的磁性相互作用力可以不 考慮；
[0017] 當λ >1，顆粒之間的磁性相互作用能就大于熱能，在磁場作用下顆粒就會團聚。
[0018] 因此，要獲得穩定的磁性液體，磁性顆粒的半徑應該越小越好。優選強磁性納米顆 粒和弱磁性納米顆粒的粒徑均小于20nm。
[0019] 進一步，所述基液為水、硅油、碳氧化合物、酯及二酯精制合成油、氟碳基化合物或 聚苯基醚。當基液是水，所適用的表面活性劑有皂類、不飽和脂肪酸，優選油酸、亞油酸、亞 麻酸及，十二烷酸，二辛基磺化丁二酸鈉；當基液是碳氫化合物，所適用的表面活性劑有油 酸、亞油酸、亞麻酸及其它非離子型表面活性劑；當基液是酯及二酯精制合成油，所適用的 表面活性劑有油酸、亞油酸、亞麻酸或相應的酯酸，如磷及其它非離子型表面活性劑；當基 液是氟碳基化合物，所適用的表面活性劑有氟醚酸、氟醚磺酸、全氟聚異丙醚，以及他們相 應的衍生物；當基液是聚苯基醚，所適用的表面活性劑有苯基十一烷酸、鄰苯氧基苯甲酸； 當基液是硅油，所適用的表面活性劑有羧基聚苯基甲基硅氧烷、羧基聚二甲基硅氧烷，硅烷 偶聯劑、氨基聚二甲基硅氧烷、羥基聚二甲基硅氧烷、羥基聚苯基甲基硅氧烷、巰基聚苯基 甲基硅氧烷、氨基聚苯基甲基硅氧烷。
[0020] -種二元磁性液體的制備方法，包括以下步驟：
[0021] -種二元磁性液體的制備方法，包括以下步驟：
[0022] 步驟一、準備強磁性納米顆粒、弱磁性納米顆粒、基液和表面活性劑；
[0023] 步驟二、把基液和表面活性劑均勻混合為混合液體；
[0024] 步驟三、把強磁性納米顆粒和弱磁性納米顆粒加入混合液體中，使強磁性納米顆 粒和弱磁性納米顆粒均勻分散在混合液體中形成穩定的懸浮液。
[0025] 進一步，步驟三中強磁性納米顆粒和弱磁性納米顆加入基液與表面活性劑的混合 液形成穩定懸浮液的方法：把強磁性納米顆粒和弱磁性納米顆粒直接倒入混合液體中，手 動搖晃；再把加入納米顆粒的混合液體置入容器中放入搖床上搖晃至強磁性納米顆粒和弱 磁性納米顆粒均勻分散在混合液體中形成穩定的懸浮液，即得到二元磁性液體。
[0026] 進一步，步驟三中強磁性納米顆粒和弱磁性納米顆加入基液與表面活性劑的混合 液形成穩定懸浮液的方法：
[0027] 取部分步驟二的混合液體，把強磁性納米顆粒加入到該部分混合液體中，手動搖 晃，把加入納米顆粒的混合液體置入容器中放入搖床上搖晃至強磁性納米顆粒均勻分散在 混合液體中形成穩定的懸浮液，即得到強磁性磁性液體；
[0028] 取部分步驟二的混合液體，把弱磁性納米顆粒加入到該部分混合液體中，手動搖 晃，把該液體置入容器中放入搖床上搖晃至弱磁性納米顆粒均勻分散在混合液體中形成穩 定的懸浮液，即得到弱磁性磁性液體；
[0029] 分別取強磁性磁性液體和弱磁性磁性液體并把二者混合，再把二者混合液置入容 器中放入搖床上搖晃至強磁性磁性液體和弱磁性磁性液體均勻混合形成穩定的懸浮液，即 得到二元磁性液體。
[0030] 進一步，為了使納米顆粒均勻分散在混合液體中形成穩定的懸浮液，所述搖床搖 動時間大于1個小時。
[0031] 本發明的有益效果：
[0032] 本發明把強磁性納米顆粒和弱磁性納米顆粒混合在基液與表面活性劑的混合液 體中，搖晃形成穩定的懸浮液。制得的強磁性-弱磁性二元磁性液體中強磁性納米顆粒、 弱磁性納米顆粒表面包裹表面活性劑，根據有機物分子之間的排斥力，以及有機物的長分 子，使得磁性顆粒之間不能靠近，從而起到抗團聚，抗沉淀的效果。同時該方法制備的強磁 性-弱磁性二元磁性液體中納米顆粒體積百分比可達25%，體積分數大，則二元磁性液體 的密封性能就越好；該二元磁性液體中既有強磁性顆粒，又有弱磁性顆粒，對二元液體施加 磁場后，弱磁性顆粒被夾在強磁性顆粒之間，使得強磁性顆粒能成鏈，但是不容易團聚；同 時，可以通過弱磁性顆粒來控制強磁性顆粒的結構；而且，可以通過強磁性顆粒的運動，控 制弱磁性顆粒的形態。這種二元磁性液體不但組成上而且相關性質上將不同于單一的強磁 性顆粒構成的磁性液體，也不同于由弱磁性納米顆粒構成的單一的弱磁性磁性液體。磁性 液體在無磁場作用時是一種分散體系，顆粒磁矩的取向是隨機的。當施加一磁場后，顆粒磁 矩將趨于場方向，因而產生場致相互作用。隨著磁場增大，場致相互作用增強。當顆粒之間 的相互作用大于熱能，則會形成類鏈團聚結構，以致磁性液體的物理性質，如磁學特性、流 變學特性、光學特性等也將產生相應變化。在強磁性-弱磁性二元磁性液體中，強磁性的強 磁性顆粒構成場致有序微結構的主體，弱磁性的弱磁性顆粒可以調制場致結構，從而調制 磁性液體的宏觀性質；弱磁性顆粒還可能抑制強磁性顆粒的自組裝結構，以此提高強磁性 液體的品質。該強磁性-弱磁性二元磁性具有明顯的科學價值和潛在的應用背景。
【附圖說明】
[0033] 圖1是Fe3O4-BiFeO3二元磁性液體結構示意圖；
[0034] 圖2是Fe3O4顆粒的XRD圖譜；
[0035] 圖3是BiFeO3顆粒的XRD圖譜；
[0036] 圖4是顆粒的磁化曲線；
[0037] 圖5a是Fe3O4顆粒的透射電鏡圖；
[0038] 圖5b是BiFeO3的顆粒的透射電鏡圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0040] 如圖1