改进铁磁流体制备方法的探究蚌埠二中 乔云镜 杭英杰 张熠乾指导老师 蒋红年 刘利娟铁磁流体由于优异可控的特殊物理性质而得到广泛的应用，但传统铁磁流体的制备存在诸多问题：比如易被氧化，提取难度大，环境要求高等，所以其应用受到限制。铁磁流体制备的主要步骤为制得铁磁溶胶后浓缩得到铁磁流体。本项目主要目的是改进现有金属铁磁溶胶制法，探究分为传统铁磁流体制备和改进后铁磁流体制备方法两部分。1.传统铁磁流体制备为了了解铁磁溶胶性质，小组首先采用了两种常见方法制取铁磁溶胶。1.1. 复分解法制铁磁溶胶1.1.1. 实验原理：由于 Fe3O4 可看由铁酸盐和亚铁盐强烈极化的盐，所以可以用铁酸钠和硫酸亚铁为原料制取 Fe3O4，并使其溶于溶剂中制得铁磁溶胶。实验过程：称取 Fe2O3，称取 NaOH 配成溶液。将 Fe2O3 在 NaOH溶液中加热以制取铁酸钠溶液，此时发现，Fe 2O3 未完全溶解。称取硫酸亚铁配成溶液。 将两种溶液混合。结果：失败，并未得到均匀黑色分散系，溶液分层，下层为红棕色固体，上层为无色透明液体。分析评估：由于非新制三氧化二铁结构稳定，没有溶解。而硫酸亚铁在极短时间被氧化，导致实验失败。1.2. 共沉淀法制铁磁溶胶1.2.1. 原理：共沉淀法是目前简易条件下制取较好性能的铁磁溶胶的方法。其原理为二价铁、三价铁可溶性盐溶液混合后，在碱性条件下结合生成四氧化三铁。其中反向共沉淀法是较为成熟和先进的方法，其步骤为将二价铁、三价铁混合溶液滴入氨水中。方程式为：Fe2+2Fe3+8NH3+4H2O=Fe3O4+8NH4+1.2.2. 实验过程：称取 FeCl2、FeCl3 配成溶液，FeCl 2。4H2O 和FeCl3。6H2O 的质量比 为 0.73:1 既物质的质 量比为 1：1。量取 50 毫升氨水加入到 800 毫升的蒸馏水中。将混合溶液缓慢倒入氨水和蒸馏水混合液中并搅拌。 将溶液放于钕铁硼磁铁上方沉淀 30 分钟，倒出上层溶液。 碱洗一次，水洗一次。 重复步骤 五两次。 将洗涤后分散系放于磁铁上方沉淀一个小时以上，倒出上层溶液，留下四氧化三铁沉淀及部分溶液 50 毫升。 加入硬脂酸锶 3 克搅拌后水浴加热至 90 摄氏度至少保持 4 分钟，直至无刺激性气体产生。 静置冷却。1.2.3. 结果：制得了溶胶。1.2.4. 1.2.5. 分析与评估：共沉淀法相比其他传统方法，具有原料利用率高、成本低、反应时间短的优点。但其不足也十分明显：反应时间短，过滤时间长，整个 实验需 4-5 小时完成，步骤繁琐 复杂，不易掌握。试验中，若不采用移液器、搅拌器移液和搅拌，不使用去离子水和消泡剂，可能会引起存在杂质的问题。由于采用水作为溶剂，表面活性剂的选择便极为单一，使得 实验整体改进空间较小。 不可再生性，此类铁磁溶胶由于依靠氧化物及其表面活性剂发挥作用，所以当溶胶沉降时即失效，无法使其再生，一定程度上造成了浪费。1.3 MoS2 涂覆法MoS2 是一种新型固体 润滑剂，其特点是能在极微小粒径（20 纳米）的颗粒上形成润滑层，且工作时间长，镀膜方便，可使用热扩散法。1.3.1 配方：Fe 粉:50g MoS2:25g C 粉：20g NaHCO3:50g S 粉：10-15g 硬脂酸锶：10-15g。1.3.2 原理：Fe 与 MoS2为主要原料， C 粉作 为分散在溶剂中的润滑剂，起到保护 MoS2 涂层的作用，NaHCO 3 主要起调节 PH 和隔绝空气，防止MoS2 与 O2 反应的作用，S 粉则与 Fe 反应生成 FeS，防止 MoS2 与 Fe 粉反应。硬脂酸 锶为表面活性剂。1.3.3 实验过程：按配方称取 药品。将药 品装入试管并灼烧。 灼烧至红热后再灼烧 1 分钟。冷却至室温后倒出试管研磨。加入硬脂酸锶并研磨。 向粉末中 兑入油，按需要 调 配成不同浓度。1.3.4 结果：成功制得铁磁流体1.3.5 分析评估：作为最新的金属铁磁流体制 备方法，MoS2 涂覆法具有操作简单， 环境要求低等特点，通过热扩散，附着了一层 MoS2 润滑层，再加上一层硬脂酸锶保护层的 Fe 粉所制成的铁磁流体性能良好。由于碳粉的润滑作用，溶剂（油）可以较少，即溶剂密度可以较大，所以磁化率大小可控且可以极大，具有较广泛的应用前景。不足： 试剂使用已超过 150g，体积更是超过研钵容积，小组不得不平分试剂研磨，影响操作便利性；仅使用酒精灯无法使药品红热，原作者使用了丁烷焊枪（小组使用了坩埚），使实验安全性受到影响；1.3.3过程 ，中有臭鸡蛋气味的气体 产生，小 组认为是 H2S，可看出此方法可能会排放有毒污染物；C 粉的过量导致浪 费；新品种铁磁流体耐久性较差。出现沉降后虽可以再加入硬脂酸锶处理，使其恢复活性，但考虑价格因素，发现其成本仍较高。2 .针对上一实验所发现的问题，小组成员开始了研究，并以节约成本，减少污染和改进铁磁流体性能为目标，最终提出了合理的解决方法。MoS2 涂覆法制铁磁流体的改 进方法（无 S 粉，以油酸 钠代替硬脂酸锶，减少 C 粉使用）2.1 配方：Fe 粉 30g，MoS215g，C 粉 5g，NaHCO3 25g，油酸钠 5g。2.2 原理：由于 MoS2 涂覆法以油作为载体，理论上减少了颗粒间摩擦阻力（油为粘稠状液体），在此情况下应可以减少或除去 C 粉的使用。由于加 热时试管口半封闭，过量 NaHCO3 分解所产生 CO2实际上已隔绝了空气，且实验 1.3.3 过程中有臭鸡 蛋味气体产生，小 组认为 S 本身的作用已经失效，所以可以除去。 油酸 钠是一种表面活性剂，特点是与附着物结合能力较强，可溶于水，不溶于油脂、乙醇。可由 NaOH 或Na2CO3 的乙醇溶液与油酸的乙醇溶液滴定制取。2.3 实验过程 按配方称取药品并放入研钵研磨；将药品倒出并放入坩埚中灼烧；灼烧 15-20 分钟（具体视药品质量而定），取下坩埚，将其置于石棉网上冷却；将固体粉末倒出坩埚，并加入油酸钠，水浴加热后研磨；向粉末中兑入油。2.4 结果：成功制得铁磁流体，与原方法所得性能基本相同。2.5 分析与评估相比原制法，新方法合理利用了载体优越性，减少了碳粉的使用，节约了成本，避免浪费。小组 通过观察现象并分析后得出了 S 粉原作用已失效的假设，并在实验中尝试无 S 粉配方。 实践证明， S 粉已无 实际效果，不参与主要反应，却产生有毒有害物质（H 2S），所以小 组在新配方中除去了 S 粉，既保护了环境，同 时节约成本。油酸 钠由于可溶于水，在水基铁磁溶胶中会降低其与溶质吸附力，所以常被排除在选择范围之外。但 MoS2 涂覆法使用油作为溶剂，油酸钠优良性质可以得到应用。事实证明，其效果丝毫不亚于较常使用的硬脂酸锶。此外，当铁磁流体出 现沉降后，可通 过滤 出溶质，加入油酸的乙醇溶液和少量乙醇，与溶质中残余 Na2CO3 反应生成油酸钠，微热后倒入油，便可重新使用。这两大特点使油酸钠做表面活性剂的方法大大节约了成本，同时简 化了操作，不得不称为一大进步。另注：由于其性质原因，油酸钠固体溶化后与 Fe 粉结合十分紧密，同时保护了 MoS2层，理论上增加了铁磁流体的耐久性。3.总结及结论（无 S）MoS2 涂覆法采用油酸钠 作为表面活性剂，同时减少、除去了 C 粉， S 粉的使用，在保证性能相近（甚至更优）的前提下，节约成本， 简化操作，避免了有毒污染物的排放。新型环保节约型铁磁流体的制法，满足绿色化学的要求，为工业规模生产提供了一种可选方式。