專利名稱：鐵氧體磁性流體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磁性流體的制造方法，特別涉及一種適合作為真空、冷卻、分離、潤滑、計量、磁性傳感器、阻尼除振、磁性墨水、磁性流體發(fā)動機、壓縮機等應用領域的鐵氧體磁性液體的制造方法。
背景技術：
磁性流體是一種具有超順磁特性的膠體材料，它既有固體磁性材料的磁性，又有液體的流動性質。自從1965年美國的S.Papel開發(fā)了這種液體材料以來，至今已有30年的歷史。主要制備方法是在母液中加入包有表面活性劑的磁性微粒子，使其構成穩(wěn)定的膠體體系。磁性流體制備的基本條件是磁性微粒子足夠小，以至其在基液中呈現(xiàn)紊亂的布朗運動，從而保證在重力場、磁場、電場中能長期穩(wěn)定存在。
磁性流體具有以下特性磁特性磁性流體根據(jù)磁場強度，磁化從零到飽和磁化，不會出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象，即剩余磁化強度和矯頑力都為零。無論是引入磁場還是除去磁場，均導致實際互為鏡像的感應效果。
粘滯性可用外加磁場控制其粘度。當外加磁場時，各個微粒內的自傳按磁場方向排列，微粒的旋轉被控制，其表觀粘度增加。磁性流體的粘滯性服從牛頓內摩擦定律。
密封性當旋轉軸與極片之間注入磁性流體時，即使驅動旋轉軸也可以完全密封其與固體之間的縫隙。密封性能與磁性流體的磁場強度成正比。
流變性在磁場存在下，磁性流體具有良好的流變學性能。在均勻橫向磁場中磁性流體運動出現(xiàn)紊流結構；在旋轉磁場中磁性流體會出現(xiàn)渦流等現(xiàn)象。
磁浮性在磁場作用下磁性流體被吸引到磁場方向，但磁性流體中的非磁性流體反而向磁場弱的方向移動。因此磁性流體中的非磁性體與阿基米德的浮力一樣受到浮力，該浮力根據(jù)磁場強度和流體的磁化的不同有很大的區(qū)別。
雙折射性將磁性流體做成幾十微米的薄膜，在外加磁場時，其中的強磁性微粒按磁場方向排列，產生雙折射現(xiàn)象。
磁性流體分為三大類包括金屬磁性流體，氮化物磁性流體及鐵氧體磁性流體。
金屬磁性流體和氮化鐵磁性流體的磁性較強，但其易于氧化導致使用條件受到很多限制。另外其設備工藝較為復雜，產量難以提高，成本較高，難以推廣使用。
金屬氧化物磁性流體具有不易被氧化，耐高溫，工藝簡單，成本低，容易得到粒徑比較小的粒子(5nm-10nm)。但由于磁性較弱，為了得到大的磁性作用，必須使用大直徑粒子，提高外部磁場或提高粒子濃度。但是使用直徑粒子的情況下，每一個磁性粒子不是單磁疇構造，會出現(xiàn)磁聚集現(xiàn)象，僅通過表面活性劑及熱運動很難使其分散。結果導致粒子在溶劑中發(fā)生沉淀而引起相分離，磁特性降低或完全喪失。提高外部磁場需要消耗大量的能量，并不適用。所以只能通過減小顆粒尺寸，提高粒子濃度改善磁性流體的磁特性。
中國專利CN1365124“鐵氧體納米磁性液體”提供了一種制備鐵氧體磁性液體的方法，但利用該方法制備出的微粒子由于制備過程中表面能較大，導致微粒生長，出現(xiàn)顆粒尺寸不均及磁凝聚現(xiàn)象。僅通過表面活性劑及熱運動很難使其分散。結果粒子在溶劑中發(fā)生沉淀而引起相分離，導致磁特性降低或完全喪失。
因此，本發(fā)明的目的是，解決上述問題并提供一種優(yōu)良的磁性流體及其制造方法，通過減小顆粒尺寸，提高粒子濃度改善磁性流體的流動特性及磁特性，使其具有良好的防氧化性及分散性。

發(fā)明內容
為了解決上述問題，本發(fā)明人經過研究發(fā)現(xiàn)，通過減小顆粒尺寸，提高粒子濃度改善磁性流體的流動特性及磁特性，使其具有良好的防氧化性及分散性。從而達到本發(fā)明的目的。
即，本發(fā)明是，
(1)一種磁性流體的制造方法，其特征在于，首先利用化學共沉淀法制備過程中，氨水(或氫氧化鈉)和二價鐵鹽(錳，鎳，鈷，銅，鋅等)及三價鐵鹽的混合溶液，同時滴入離子交換水中，并保持溶液PH為7，進行攪拌從而生成的鐵氧體懸濁液。其次，利用超聲波在微粒表面均勻的包覆一層表面活性劑。最后，利用超聲波使微粒均勻的地分散在溶劑中。
(2)上述1的磁性流體，其特征在于，以表面活性劑包覆的磁性鐵氧體粒子的平均粒徑3-12nm。
(3)上述1的磁性流體，其特征在于，以表面活性劑包覆的磁性鐵氧體粒子的表面活性劑膜厚是0.1-3nm。
(4)上述1的磁性流體，其特征在于，以表面活性劑包覆的磁性鐵氧體粒子的飽和磁化值是0-80emu/g。
(5)上述1的磁性流體，其特征在于，以表面活性劑包覆的磁性鐵氧體粒子的居里溫度是300-600℃。
(6)上述1的磁性流體，其特征在于，飽和磁化強度為200-1000G。
(7)上述1的磁性流體，其特征在于，粘度為10-1000mPa*sec。
(8)上述1的磁性流體，其特征在于，比重為1.00-2.50。
(9)上述1的磁性流體，其特征在于，由外磁場變化引起磁性流體局部密度發(fā)生改變而產生的壓力差為10-500Pa。
(10)上述1的磁性流體，其特征在于，其適用溫度為-30-200℃。
本發(fā)明是通過如下方法制備納米微粒在室溫條件下，100ml離子交換水中，同時滴加氨水(或氫氧化鈉)和二價鐵鹽(錳，鎳，鈷，銅，鋅等)及三價鐵鹽的混合溶液，保持溶液PH為7，進行攪拌從而生成直徑為7nm的鐵氧體懸濁液。然后在溶液中添加表面活性劑(油酸，各種脂酸鈉級直鏈苯磺酸等)，在超聲波下28-100Hz保持10-60min。使微粒表面均勻的包覆一層表面活性劑，并且通過控制表面活性劑的添加量可以控制表面活性劑層的厚度。將包覆好的微粒經蒸餾水，丙酮多次洗滌，加入選定的基液中(燈油，長鏈烴類溶劑，水等)，經超聲波45Hz 60min處理后制成顆粒小，密度大，具有高磁性，高穩(wěn)定性的磁性流體。


圖1.為利用本發(fā)明所制備出的磁性鐵氧體粉末的XRD回折衍射2.為利用本發(fā)明所制備出的磁性鐵氧體粉末的透射電鏡照片。
具體實施例方式
本發(fā)明的主要應用領域是密封、冷卻、阻尼、分離、磁性墨水、換能器、壓力傳感器、光學開關及醫(yī)學應用。
密封本發(fā)明的磁性流體可以封氣、封水、封油、封塵、封煙霧等，是防止污染的有效屏障，由于磁性流體本身具有獨特的密封結構與性能，因而能廣泛地應用于多種領域，例如在計算機硬盤存儲器的密封；X射線管和X射線機的旋轉靶密封，單晶爐真空旋轉的密封；在半導體工業(yè)中各種薄膜沉積、光刻、腐蝕等裝置和半導體生產的清潔機器人的連接處密封；在紡織和機械加工中的隔絕密封；氣體激光、真空加熱爐、電廠儲能罐，超導電機的密封等領域。詳細描述見美國專利No.4673997和4692826，該專利描述了磁性流體作為密封墊在轉軸中的應用。
冷卻本發(fā)明的磁性流體可用作冷卻介質，當磁性流體注入揚聲器的音圈氣隙中，對音圈的運動起一定阻尼，散熱和冷卻的作用，并使音圈自動定心，降低了由于音圈摩擦而引起的揚聲器衰減，提高裝配成品率。由于磁性流體的熱傳導率比空氣大6倍，使用它能有效地解決音圈的散熱冷卻問題，從而降低了因熱瞬態(tài)過程而引起的失靈。音圈升溫降低，能提高揚聲器的承受功率，可使它的輸出功率提高2倍。詳細描述見美國專利No.5461677，該專利描述了磁性流體作為冷卻介質在揚聲器中的應用。
阻尼本發(fā)明的磁性流體可用作阻尼介質，磁性流體本身有一定的粘滯性，又是強磁性介質，因此可用來實現(xiàn)液體阻尼。如儀表中，磁性流體自磁極作用下充滿空隙，對轉動部分形成阻尼，它既不會流出來，也不會產生偏心。許多遠見的加工就不用表面拋磨了，因而減少了加工量?；诖判粤黧w的粘度隨著外磁場的變化而變化，故可以用它來作清除共振之用。如步進電機是用來將電脈沖轉換為精確的機械運動的，其特點是迅速地被加速度或減速度，因此常常導致系統(tǒng)呈現(xiàn)震蕩狀態(tài)。只要將磁性流體注入磁極間隙中，即可消除系統(tǒng)的震蕩與共振，而且磁性流體與通常的阻尼介質相比較，其優(yōu)點在于它可借助外磁場進行定位，以改善步進電機的轉動精度。詳細描述見美國專利No.4123675，該專利描述了磁性流體作為阻尼介質在機械運動中的應用。
分離本發(fā)明的磁性流體可應用于礦物分離，當外磁場增加時，磁性流體的比重隨之增大，在達到磁性流體比重為2種金屬物質比重的平均值時，一種金屬下沉，另一種浮起，可以達到分離回收的目的。比如磁性流體可用在采金時分選礦石。設想使用一個沒有底的容器，磁性流體由很強的電磁鐵保持在容器中，當增大電流時可使磁場增強，因此實際上可以得到任意大小的“有效密度”。這種方法非常有效，它可以獲得礦石中所含有貴金屬的98％。此外，磁性流體對生態(tài)無害，它可以用普通的水制備，而現(xiàn)代的采金工藝過程最終是要靠有毒的水銀來完成的。國外目前已研制出從廢品中回收銅、鉛、鋁等金屬的水基磁性流體。
本發(fā)明的磁性流體還可應用于油水分離，由于以烴類作為分散美德磁性流體可與油而不與水混合，因此在磁性流體中加入油水混合液時，其中油被磁化。大型油輪失事造成海面嚴重污染的事故屢有發(fā)生，利用此原理就可以回收在海面上的油及乳膠。
磁性墨水為了安全編碼，可適用本發(fā)明的磁性流體作為磁性墨水印刷并存儲信息，或為簽署銀行支票或其他重要的文件或項目提供唯一的磁性簽名。同時，通過在著色的載流體中分散磁性流體，就可作為電磁裝置的可沉積的印刷墨水使用。另外，用磁性流體制成的磁性墨水書寫的紀錄，不但肉眼可以閱讀，也可以用儀器閱讀。
換能器本發(fā)明的磁性流體可用作磁性流體換能器，根據(jù)磁性流體的流體力學及麥克斯韋爾理論，當流體置于恒定及交變梯度場中，在磁性流體內部形成開爾芬力。當該力作簡諧振動，從而激發(fā)換能器的發(fā)射面推動水介質振動，亦即向水介質中輻射聲能。它的優(yōu)點是利用多頻效應可做成具有幾個倍頻的寬帶輻射響應的輻射器。又因它的特性阻抗與水很接近，易于匹配，因此可作為水下寬帶聲源，水聲對抗作用的誘餌聲輻射器及水下芭蕾高保真度的音響設備。詳細描述見美國專利No.4123675，該專利描述了磁性流體在作為換能器在水下聲波發(fā)生器中的應用。
壓力傳感器本發(fā)明的磁性流體可用作壓力傳感器，其詳細描述見美國專利No.5429000，其內容在此引入作為參考。例如，差壓傳感器包括磁性流體檢測元件或磁性流體芯，其可使錐形磁場的位置響應壓差而變化。磁性流體芯裝在管中并在與管的縱軸垂直的錐形磁場中移動。磁場在其中芯具有最大的磁通量密度，從其中心沿兩軸逐漸減少。磁性流體芯被置于磁場的中心，對應于零壓差。對應于非零壓差，磁性流體芯移動到凈磁場作用力與壓差相等的磁場位置。通過檢測元件產生的根據(jù)磁性流體芯位置而變化的輸出信號判斷磁性流體芯的位置。至一個實施方式中，檢測元件是傳感線圈，其被定位以覆蓋磁性流體芯一端的運動范圍。磁性流體芯以此作為傳感線圈的可移動核芯。當磁性流體芯移動時，它可以改變傳感線圈的相對感應系數(shù)。一個或一對傳感線圈被連接到橋電路中，所述的橋電路可產生隨感應系數(shù)及由此的壓差變化而變化的輸出信號。
光學開關本發(fā)明的磁性流體可以作為光學開關使用，例如在美國專利No.4384761中的描述，其內容在此引入作為參考。更詳細地說，使用可控制的磁場來影響磁性流體的位置，形狀和密度分布，這樣磁性流體通過如下方法能造成或阻止光程之間的光耦合通過物理方法引起波導(如光學纖維)運動，或其本身可物理地移進或移出光程之間的耦合區(qū)域。
醫(yī)學應用本發(fā)明的磁性流體可以在醫(yī)療方面擁有廣泛的使用前景。70年代就有人嘗試用磁性流體治療腦動脈瘤。方法是通過一根空心的磁針把磁性流體注射到動脈中，磁場加在瘤子上，使磁性流體將血管和瘤子分隔開來，然后用激光照射將癌細胞殺死。日本神戶大學醫(yī)學院使用磁性流體治療肝癌，腎癌獲得成功。另外利用磁性流體的詞特性，也可以選擇分離病毒，細菌，以及在人體的特定部位聚集治療藥劑，為此可以很方便的制作出磁性藥品，提高治療效果。
其他應用本發(fā)明的磁性流體除以上應用領域以外還可以應用于磁性研磨、磁性潤滑、磁性流體發(fā)動機、磁性流體壓縮機、計量閥門及各種磁性流體傳感器等領域中。
以下，根據(jù)實施例更具體地說明本發(fā)明。但本發(fā)明并不僅限于這些實施例。
實施例1磁性鐵氧體粒子的制備準備0.125mol/l的氯化亞鐵試劑和0.25mol/l的氯化鐵試劑的混合溶液150ml，另外準備適量的1mol/l NaOH溶液。在500ml燒杯中添加100ml的去離子水，以5ml/min的速度同時滴入混合溶液和氫氧化鈉溶液，通過控制溶液的pH值可以控制磁性鐵氧體粒子的顆粒尺寸，利用透射電子顯微鏡(TEM)，粉末回折X線(XRD)及利用振動型磁化率測定裝置(VSM)對其進行了評價，如表1所示。利用高溫磁性測定裝置對pH7時合成的磁性納米粉末的居里溫度測定居里溫度為472℃。
表1

表面活性劑的包覆在含有四氧化三鐵的溶液中添加檸檬酸鈉，在超聲波下45Hz60min處理后，使微粒表面均勻的包覆一層表面活性劑。通過控制表面活性劑的添加量可以控制表面活性劑的膜后。使用蒸餾水及酒精溶液進行反復洗滌以除去電解質及多余的表面活性劑。利用透射電子顯微鏡(TEM)對其進行了評價，如表2所示。
表2

磁性流體的制備將制備好的包覆表面活性劑的四氧化三鐵加入到有機溶劑中，經超聲波45Hz 60min處理后制成顆粒小，密度大，具有高磁性，高穩(wěn)定性的磁性流體。通過改變表面添加劑的添加量可以控制表面活性劑的包覆層厚度在0.1-3nm之間，改變溶劑的比例可以控制粘度，比重及磁性流體的飽和磁化強度。根據(jù)具體需要，可制備成各種特性的磁性流體。利用粘度計，比重計及振動型磁化率測定裝置(VSM)對其進行了評價。
制成磁性流體，和以中國專利CN1365124的方法制成的磁性流體進行了各種比較。本發(fā)明制備的顆粒具有平均粒徑小7nm，表面活性劑包覆均勻2nm，分散性好，磁特性高500G，溫度適用范圍寬(-30-200度)等特性。
權利要求
1.一種磁性流體制造方法，其特征在于，首先利用化學共沉淀法制備過程中，氨水或氫氧化鈉和二價鐵鹽及三價鐵鹽的混合溶液，同時滴入離子交換水中，并保持溶液PH為7，進行攪拌從而生成的鐵氧體懸濁液，其次，利用超聲波在微粒表面均勻的包覆一層表面活性劑，最后，利用超聲波使微粒均勻的地分散在溶劑中。
2.如權利要求1所述的磁性流體制造方法，其特征在于，以表面活性劑包覆的磁性鐵氧體粒子的平均粒徑5-15nm。
3.如權利要求1所述的磁性流體制造方法，其特征在于，以表面活性劑包覆的磁性鐵氧體粒子的表面活性劑膜厚是0.1-3nm。
4.如權利要求1所述的磁性流體制造方法，其特征在于，以表面活性劑包覆的磁性鐵氧體粒子的飽和磁化值是50-100emu/g。
5.如權利要求1所述的磁性流體制造方法，其特征在于，以表面活性劑包覆的磁性鐵氧體粒子的居里溫度是300-600℃。
6.如權利要求1所述的磁性流體制造方法，其特征在于，飽和磁化強度為200-1000G。
7.如權利要求1所述的磁性流體制造方法，其特征在于，粘度為10-1000mPa*sec。
8.如權利要求1所述的磁性流體制造方法，其特征在于，比重為1.00-2.50。
9.如權利要求1所述的磁性流體制造方法，其特征在于，由外磁場變化引起磁性流體局部密度發(fā)生改變而產生的壓力差為10-500Pa。
10.如權利要求1所述的磁性流體制造方法，其特征在于，其適用溫度為0-200℃。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁性流體制造方法，其特征在于，首先利用化學共沉淀法制備過程中，氨水(或氫氧化鈉)和二價鐵鹽(錳，鎳，鈷，銅，鋅等)及三價鐵鹽的混合溶液，同時滴入離子交換水中，并保持溶液pH為7，進行攪拌從而生成的鐵氧體懸濁液。其次，利用超聲波在微粒表面均勻的包覆一層表面活性劑，最后，利用超聲波使微粒均勻的地分散在溶劑中。
文檔編號H01F1/44GK1797624SQ20041010363
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權日2004年12月29日
發(fā)明者巨東英, 邊培 申請人:巨東英, 邊培