一种二元磁性液体及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于磁性材料领域，具体涉及一种二元磁性液体及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 所谓磁性液体（也叫铁磁流体）（Ferrofluids，magnetic fluids，magnetic liquid)，通常是由粒径在IOnm左右的强磁性（铁磁性或亚铁磁性）颗粒均匀分散在基液 中（fluid carrier)，通过吸附离子（电荷排斥力）或在表面带上长链分子（位力排斥）达 到抗团聚而形成的稳定的胶体体系。纳米颗粒通常是铁磁性金属、亚铁磁性等强磁性纳米 颗粒，基液通常是水、有机液体或者有机水溶液。
[0003] 由于磁性液体同时具有磁性和流动性，因此具有许多独特的磁学、流体力学、光学 和声学特性。如，当磁性液体置于一定强度的均勾磁场，当一束偏振光穿过时，偏振光的电 矢量平行于外磁场方向比垂直于外磁场方向吸收更多，因而呈光学各向异性，将产生法拉 第效应、双折射效应等一系列磁光效应。磁性液体在交变场中具有磁导率频散、磁粘滞性等 现象。
[0004] 磁性液体已在许多领域展现出广泛的应用前景。如：在生物医学领域具有广泛的 应用，如：过高热的恶性肿瘤处理（cancer treatment)，核磁共振（MRI)造影剂，给药（drug delivery)，DNA杂化及细胞分离等.磁性液体印刷、磁性液体薄膜轴承、声纳系统、磁性药 物、细胞磁性分离、磁性液体人工发热器、磁性液体涡轮发电、光学开关、磁性液体刹车、仪 器仪表中的阻尼器、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等。
[0005] 目前，在磁性液体中普遍采用单一化学组分的高（饱和）磁化强度的纳米颗粒。其 粒径总是有一定分布，为多分散体系，以致磁性液体其性质一一微观结构、磁性、磁光等不 同于单一尺寸的单分散体系，因此在磁性液体的宏观性质的机理研究上存在很多困难。近 年来，国际上理论研究较多的为双分散体系模型，即同一化学成份的大、小两类无尺寸分布 的纳米颗粒构成的体系，大颗粒构成场致结构的主体，小颗粒由其相对含量的多少可能抑 制也可能增强场致结构的形成、变化等。因此，双分散体系的磁性液体可具有新的性质。然 而这样的尺寸双分散体系在实验上是很难实现的。
[0006] 通常，强磁性物质的饱和磁化强度M，远大于弱磁性物质的感生磁化强度M(= xH)，于是，强磁纳米颗粒与弱磁纳米颗粒将不会形成场致结构。因此，由强磁性与顺磁两类 纳米颗粒所构成的磁性液体可近似为磁双分散磁性液体。这种磁性液体中的磁性相是强、 弱两类磁性纳米颗粒即两类磁偶极子构成，所以我们称之为"二元磁性液体"。目前现有的 双分散体系实际为尺寸双分散体系，即指构成磁性液体的颗粒的粒径有两种尺寸，一种尺 寸大一些，另一种小一些，但是都是同一种材料。而由强、弱两类磁性纳米颗粒构成的体系 可称之为"磁双分散体系"。对于由强磁性颗粒与非磁性微米量级颗粒构成的"复合磁性液 体"，非磁性颗粒粒径远大于强磁性颗粒，以致可视非磁性颗粒分散在强磁性颗粒构成的连 续介质中。在外场作用下，非磁性颗粒由于感生的负磁矩而产生相互作用，并可能产生类链 结构。"复合磁性液体"的宏观性质决定于非磁性颗粒的性质及场致结构。
[0007] 目前，常用Massart法制备二元磁性液体，也就是在磁性颗粒表面包裹一层非磁 性层，然后用酸溶解掉一部分，使得表面带电荷，根据表面电荷之间的排斥力，起到抗团聚、 抗沉淀的效果。由于采用Massart法制备得到的二元磁性液体是依靠颗粒表面的电荷之 间的排斥力抗团聚的，一方面电荷之间的作用力比较弱，另一方面，电荷作用力（库仑力） 作用距离比较短，因此，采用Massart法制备得到的二元磁性液体时，颗粒的粒径要求非常 小，否则就容易沉淀，而且要求颗粒的体积分数小于5%，否则就容易发生沉淀。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有技术的不足，本发明提供一种二元磁性液体及其制备方法，强磁性 纳米颗粒和弱磁性纳米颗粒均匀分散在基液和表面活性剂的混合液体中形成稳定的悬浮 液，该悬浮液中的磁性颗粒表面包裹表面活性剂，根据有机物分子之间的排斥力，以及有机 物的长分子，使得磁性颗粒之间不能靠近，从而起到抗团聚，抗沉淀的效果。
[0009] 本发明通过以下技术方案实现：
[0010] -种二元磁性液体，包括基液和表面活性剂的混合液体，该混合液体内均匀分散 有强磁性纳米颗粒和弱磁性纳米颗粒。
[0011] 由于只有当颗粒间的磁能大于它们之间的热能的时候，就会产生磁场导致纳米颗 粒的团聚。
[0012] Rosens weig把这个比值定义为颗粒之间的相互作用参数，表示为：
[0013]
[0014] 式中μ。代表真空中的磁导率、M表示颗粒的磁化强度、V代表颗粒的体积、Kb为玻 尔兹曼常数、T表示绝对温度。由于大多数磁性液体中的磁性颗粒都是被表面活性剂包裹 起来的，磁性颗粒不能接触，所以磁性力只有足够强的时候才能穿过表面活性剂层。考虑到 表面活性剂的厚度s之后，粒子间的作用参数就可以表示为：
[0015]
[0016] 当λ〈1，说明热能占主导地位，在磁场作用下颗粒之间的磁性相互作用力可以不 考虑；
[0017] 当λ >1，颗粒之间的磁性相互作用能就大于热能，在磁场作用下颗粒就会团聚。
[0018] 因此，要获得稳定的磁性液体，磁性颗粒的半径应该越小越好。优选强磁性纳米颗 粒和弱磁性纳米颗粒的粒径均小于20nm。
[0019] 进一步，所述基液为水、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。当基液是水，所适用的表面活性剂有皂类、不饱和脂肪酸，优选油酸、亚油酸、亚 麻酸及，十二烷酸，二辛基磺化丁二酸钠；当基液是碳氢化合物，所适用的表面活性剂有油 酸、亚油酸、亚麻酸及其它非离子型表面活性剂；当基液是酯及二酯精制合成油，所适用的 表面活性剂有油酸、亚油酸、亚麻酸或相应的酯酸，如磷及其它非离子型表面活性剂；当基 液是氟碳基化合物，所适用的表面活性剂有氟醚酸、氟醚磺酸、全氟聚异丙醚，以及他们相 应的衍生物；当基液是聚苯基醚，所适用的表面活性剂有苯基十一烷酸、邻苯氧基苯甲酸； 当基液是硅油，所适用的表面活性剂有羧基聚苯基甲基硅氧烷、羧基聚二甲基硅氧烷，硅烷 偶联剂、氨基聚二甲基硅氧烷、羟基聚二甲基硅氧烷、羟基聚苯基甲基硅氧烷、巯基聚苯基 甲基硅氧烷、氨基聚苯基甲基硅氧烷。
[0020] -种二元磁性液体的制备方法，包括以下步骤：
[0021] -种二元磁性液体的制备方法，包括以下步骤：
[0022] 步骤一、准备强磁性纳米颗粒、弱磁性纳米颗粒、基液和表面活性剂；
[0023] 步骤二、把基液和表面活性剂均匀混合为混合液体；
[0024] 步骤三、把强磁性纳米颗粒和弱磁性纳米颗粒加入混合液体中，使强磁性纳米颗 粒和弱磁性纳米颗粒均匀分散在混合液体中形成稳定的悬浮液。
[0025] 进一步，步骤三中强磁性纳米颗粒和弱磁性纳米颗加入基液与表面活性剂的混合 液形成稳定悬浮液的方法：把强磁性纳米颗粒和弱磁性纳米颗粒直接倒入混合液体中，手 动摇晃；再把加入纳米颗粒的混合液体置入容器中放入摇床上摇晃至强磁性纳米颗粒和弱 磁性纳米颗粒均匀分散在混合液体中形成稳定的悬浮液，即得到二元磁性液体。
[0026] 进一步，步骤三中强磁性纳米颗粒和弱磁性纳米颗加入基液与表面活性剂的混合 液形成稳定悬浮液的方法：
[0027] 取部分步骤二的混合液体，把强磁性纳米颗粒加入到该部分混合液体中，手动摇 晃，把加入纳米颗粒的混合液体置入容器中放入摇床上摇晃至强磁性纳米颗粒均匀分散在 混合液体中形成稳定的悬浮液，即得到强磁性磁性液体；
[0028] 取部分步骤二的混合液体，把弱磁性纳米颗粒加入到该部分混合液体中，手动摇 晃，把该液体置入容器中放入摇床上摇晃至弱磁性纳米颗粒均匀分散在混合液体中形成稳 定的悬浮液，即得到弱磁性磁性液体；
[0029] 分别取强磁性磁性液体和弱磁性磁性液体并把二者混合，再把二者混合液置入容 器中放入摇床上摇晃至强磁性磁性液体和弱磁性磁性液体均匀混合形成稳定的悬浮液，即 得到二元磁性液体。
[0030] 进一步，为了使纳米颗粒均匀分散在混合液体中形成稳定的悬浮液，所述摇床摇 动时间大于1个小时。
[0031] 本发明的有益效果：
[0032] 本发明把强磁性纳米颗粒和弱磁性纳米颗粒混合在基液与表面活性剂的混合液 体中，摇晃形成稳定的悬浮液。制得的强磁性-弱磁性二元磁性液体中强磁性纳米颗粒、 弱磁性纳米颗粒表面包裹表面活性剂，根据有机物分子之间的排斥力，以及有机物的长分 子，使得磁性颗粒之间不能靠近，从而起到抗团聚，抗沉淀的效果。同时该方法制备的强磁 性-弱磁性二元磁性液体中纳米颗粒体积百分比可达25%，体积分数大，则二元磁性液体 的密封性能就越好；该二元磁性液体中既有强磁性颗粒，又有弱磁性颗粒，对二元液体施加 磁场后，弱磁性颗粒被夹在强磁性颗粒之间，使得强磁性颗粒能成链，但是不容易团聚；同 时，可以通过弱磁性颗粒来控制强磁性颗粒的结构；而且，可以通过强磁性颗粒的运动，控 制弱磁性颗粒的形态。这种二元磁性液体不但组成上而且相关性质上将不同于单一的强磁 性颗粒构成的磁性液体，也不同于由弱磁性纳米颗粒构成的单一的弱磁性磁性液体。磁性 液体在无磁场作用时是一种分散体系，颗粒磁矩的取向是随机的。当施加一磁场后，颗粒磁 矩将趋于场方向，因而产生场致相互作用。随着磁场增大，场致相互作用增强。当颗粒之间 的相互作用大于热能，则会形成类链团聚结构，以致磁性液体的物理性质，如磁学特性、流 变学特性、光学特性等也将产生相应变化。在强磁性-弱磁性二元磁性液体中，强磁性的强 磁性颗粒构成场致有序微结构的主体，弱磁性的弱磁性颗粒可以调制场致结构，从而调制 磁性液体的宏观性质；弱磁性颗粒还可能抑制强磁性颗粒的自组装结构，以此提高强磁性 液体的品质。该强磁性-弱磁性二元磁性具有明显的科学价值和潜在的应用背景。
【附图说明】
[0033] 图1是Fe3O4-BiFeO3二元磁性液体结构示意图；
[0034] 图2是Fe3O4颗粒的XRD图谱；
[0035] 图3是BiFeO3颗粒的XRD图谱；
[0036] 图4是颗粒的磁化曲线；
[0037] 图5a是Fe3O4颗粒的透射电镜图；
[0038] 图5b是BiFeO3的颗粒的透射电镜图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0040] 如图1