1、 硕士学位论文 PAO 基磁性液体的制备 PAO 基磁性液体的制备 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 磁性液体的定义 . 1 1.2 磁性液体的应用 . 1 1.3 磁性液体的制备方法 . 8 1.4 纳米 Fe3O4颗粒在载液中的分散稳定机理 . 11 1.5 本论文的总体设计思路 . 14 第二章 实验方法 . 17 2.1 实验药品 . 17 2.2 实验设备 . 17 2.3 测试和表征方法 . 17 第三章 纳米 Fe3O4的制备与性能分析 . 21 3.1 引言 . 21 3.2 实验部分 . 21 3.3.结果与讨论 . 25 3.4.结论 . 28 第四章 PAO 基磁性液体
2、的制备 . 34 4.1 引言 . 34 4.3 实验步骤 . 35 4.4 改性温度 的影响 . 37 4.5 改性 pH值的影响 . 37 4.6 除水方式的选择 . 38 4.8 改性时间的影响 . 40 4.9 PAO 基磁性液体饱和磁化强度的控制 . 41 4.10 表面活性剂的吸附量 . 43 4.11 结论 . 44 结论 . 44 攻读学位期间发表的论文 . 45 致谢 . 46 附件 1： 纳米磁性粒子在交变磁场中的产热量的计算 . 47 附件 2： 未成功的一些尝试 . 51 摘要 磁性液体是 纳米磁性颗粒被表面活性剂包裹之后在载液中分散形成的稳定胶体。其具有磁性和流动性，
3、由于这一特性，它被用在真空旋转密封、扬声器散热和磁靶向药物载体等方面。 笔者利用正交实验探索了化学共沉淀法制备 Fe3O4 纳 米颗粒的影响因素： Fe3+； Fe2+： Fe3+；氨水用量比；乙醇浓度；晶化时间；晶化温度等参数对 Fe3O4 纳米颗粒饱和磁化强度的影响。找出了试验条件范围内使Fe3O4粉末达到最大饱和磁化强度的最佳工艺条件： D3A3F4B3E5C4 即： Fe3+0.1mol/L；合成温度 60； NH4OH 用量倍数 2；晶化时间 30min； Fe2+：Fe3+ 0.7；乙醇质量百分比浓度 16 油滑 PAO(聚烯烃合成油 )基磁性液体的制备工艺，制备高饱和磁 化强度、
4、高热稳定性的 PAO 基磁性液体。经过一系 列单因素实验，得到制备 PAO基磁性液体的最佳制备方案：选择 pH 11 为改性 pH 值，选取 85为改性温度，采用的除水方法是：在搅拌下用磁力搅拌器加热样品除水的方式（最好是可以使用油浴加热，同时搅拌，这样可以很好控制加热温度，同时保证加热均匀），在水中改性的改性方式，改性时间 90min，表面活性剂加入量与纳米 Fe3O4颗粒的质量比为 1:3.5。 关键词：纳米 Fe3O4颗粒，饱和磁化强度，磁性液体， PAO， 酰肌氨酸 。 PAO 基磁性液体的制备 Abstract Xiangyang Huang（ Thermal Engineering
5、） Directed by Hui Shen Magnetic fluid is a colloid of nano-scaled magnetic particles wrapped by surfactant. It has magnetism and fluidity. For these characters, it be used for vacuum rotating sealing, heat dissipating in speaker and magnetic target medicine carrier. Orthogonal experiment is used to
6、explore the influence of some factors such as Fe3+, ratio of Fe2+： Fe3+, the amount of used NH4OH, the mass percent density of ethanol, crystallization time and crystallization temperature to the saturation magnetization and the homogeneity of Fe3O4. The optimal process conditions in the range of ex
7、periment conditions are found out through range analysis. It is D3A3F4B3E5C4 : Fe3+=0.1mol/L, synthesis temperature=60 , the amount of used NH4OH=2, crystallization time=30min, ratio of Fe2+：Fe3+=0.7, the mass percent density of ethanol 16%. The experiments mentioned in the paper are the preparative
8、 work for the running of one automatically magnetic fluid preparation system. And the system will be brought into use in our lab next month. At the same time, the experiments also can give references to the preparation of magnetic fluids in some projects in our lab. Key words: nano Fe3O4 particles,
9、saturation magnetization, magnetic fluid, PAO, N-oleoyl sarcosine acid, process condition. 第一章 绪论 作者 黄向阳 1 第一章 绪论 1.1磁性液体的定义 磁性液体是被表面活性剂包裹的纳米磁性颗粒在载液中分散形成的稳定均匀的胶体 1。其同时具有流动性和磁性，因为这一特性，其在磁靶向药物载体、真空密封和阻尼减震等领域得到应用。磁性液体由纳米磁性颗粒、表面活性剂和载液组成，其微观结构示意图如图 1 1 所示。它既具有固体磁性材料的磁性 ,又有液体的流动性 ,扩大了磁学在科学研究和工程技术领域的应用 ,成为
10、一种崭新的功能材料 ,受到人们的日益重视 2。磁性液体应用广泛，其可应用于医疗、轴密封、润滑剂、压力传感器、能量转换器等中。可以 预见水基磁性液体将在靶向给药、磁场热疗和两者结合中应用，并取得很好的治疗效果 3 图 1 1.磁性液体微观结构示意图 1.2磁性液体的应用 1.2.1磁性液体在医疗上的应用 水基磁性液体在医药中的种种应用不断地被开发出来 ,如磁性靶向药物载体、肿瘤的人工高热治疗、肿瘤的磁栓塞治疗、细胞磁分离、 X 射线造影剂、视网膜脱离的修复手术、血流的磁测量等等。应用于医药中的磁性液PAO 基磁性液体的制备 体和一般的磁性液体不同 ,它有着自己的特点 ,即其组成的三种成分 (纳米
11、磁粒子、表面活性剂和载液 ) 必须是 生物可兼容的和生物可降解的 4。因此药用磁性液体的载液一般是水 ,其表面活性剂是蛋白质或多糖 ,如明胶、天冬氨酸、葡聚糖和淀粉等等 ,其磁粒子是四氧化三铁或三氧化二铁 ,这些粒子能够被肝、脾及骨髓从血流中除去 ,钴镍磁粒子对人体有毒 ,不可采用。在对脱离的视网膜进行修复的眼外科手术中使用的硅氧烷磁性液体是个例外 ,不要求是生物降解的 ,因为它需要被永久地保留在眼睛内 5。下面简单介绍一下磁性液体在磁性靶向药物和磁性液体局部热疗和全身热疗中的作用原理。 1.2.1.1磁性靶向药物载体 加于治疗区域的外加静磁场可以使磁性靶 向药物大部分集中在治疗区域，这样增加
12、了治疗区域的药物浓度而非治疗区域的药物浓度确非常小，从而增强了药物疗效同时也减少了药物对非治疗区域的副作用。靶向药物是现代医药研究和应用的热点 ,药物的靶向给药从到达的部位可以分为三级 ,第一级指到达特定的器官或组织 ,第二级指到达器官或组织内的特定的细胞(如肿瘤细胞而不是正常细胞 ) ,第三级指到达靶细胞内的特定的细胞器 (例如溶酶体、线粒体 ) 。 1.2.1.2磁性液体 的局部热疗和全身热疗 铁磁性物质在交变磁场作用下 , 吸收电磁波能量并将之转换成热 , 可使肿瘤部位升温 , 达到 肿瘤热疗目的 6。 近年来国外开展细胞内过热治疗肿瘤 ,用平均粒径只有 7.5 40 nm 的Fe3O4
13、 葡聚糖或脂质磁性液体 , 注射到肿瘤中 , 脂质外层使 Fe3O4 微粒通过细胞的内吞或融合作用进入肿瘤细胞中 , 在体外施加交变磁场可使细胞发热至 43 , 维持一定时间收到有效杀灭癌细胞而不损害正常细胞的效果 . 或者可以把它注入到人体肿瘤的供血血管中 ,组成磁性液体的磁粒子是纳米级大小的 ,它几乎可以到达人体内的任何深层部位 ,而且纳米磁粒子可以很方便地通过最小的毛细血管。通过外加磁场或者是植入内部诱导磁场(如刺入人体内的小磁针 ) 可以把磁粒子吸引聚集到人体的病灶部位 ,然后施加交变磁场 ,纳米磁粒子在交变磁场作用下吸收电磁波能量 ,发生振动运动 ,产生热量 ,从而可以定位地把癌细胞
14、或是肿瘤细胞杀死 ,而对非病变部位的健康细胞没有损伤 ,是一种低毒高效的治疗方法 ,这种磁性液体定位发热治疗可称为磁性液体局部热疗。磁性液体也可进行全身热疗 ,200 mmol 磁粒子在全身血管中流动 ,而不是定位在某个特定部位 ,在交变磁场照射下 6 min 可全身体温升温至 42. 5 ,此温度足以杀死恶性肿瘤细胞。全身热疗尤其适合于恶性肿瘤伴全身血 行转移或淋巴瘤等的治疗。磁性液体热疗的发热量主要取决于四个因数 :交变磁场强度、作用时间、磁粒子的数量和磁化强度。这几个因数都是便于人工控制的 ,因此磁性液体热疗可以达到相当理想的效果 78。 1.2.2磁性液体在密封上的应用 第一章 绪论
15、作者 黄向阳 3 磁液密封是由两个环形磁极和夹于磁极之间的环形永久磁铁及旋转轴组成。在磁极和旋转轴之间的间隙内注入磁性液体。由永磁铁、磁极和旋转轴构成的磁路使磁性液体被牢牢地吸在间隙中 ,形成一个磁性液体“”型环 ,将间隙堵住 ,起到密封作用。磁液密封在动密封 (真空或气体 )方面已成功地用于喷涂装置、单 晶炉、大功率激光器、硬盘驱动器、质谱仪、射线仪、真空热处理炉等。 磁性液体密封是利用在外加磁场作用下磁性液体具有承受压力差的能力而实现的密封。其基本原理如图 2所示 , 磁性回路由永久磁铁、极靴和转轴组成。放置在导磁性良好的转轴与极靴顶部之间的制作精良的磁性液体在高性能的永久磁铁产生的磁场作
16、用下高度集中 , 形成一个液体型密封圈 , 当磁性液体受到压力差作用时 , 磁性液体在非均匀磁场中略微移动 , 产生了对抗压力差的磁力 , 从而达到新的平衡 , 进而将转轴与极靴间的缝隙堵死而达到密封的目的。 磁性液体密封中的转 轴可以是磁性体 , 也可以是非磁性体。前者的磁束集中于转轴与极靴间的缝隙处 , 通过转轴构成磁性回路 ; 后者的磁束并不通过转轴 ,而是通过缝隙中的磁性液体构成磁性回路。 图 2 所示的磁性液体单磁铁双极靴密封结构的耐压能力差 (小于0.1MPa) , 所以实践中大量采用的是多磁铁多极靴结构 , 如图 3 所示。图 1 3 (a) 中磁性液体密封采用多块磁铁 , 每块
17、磁铁与其对应的一对极靴构成各自独立的磁性回路 , 各回路间采用绝磁材料隔开。图 1 3 (b) 中只使用了一块磁铁 , 这是一种单磁路多级磁性液体密封结构。在理想情况下 , 所有磁性液体密封在每一级中充入的磁性液体保证在转轴和极靴之间的每一级建立起一系列液体型密封圈 , 每一级需可以承受的压力差为 0.0150.02MPa , 整个区域的承压能力为各级密封圈承压能力的总和。 9 1.2.3磁性液体在润滑上的应用 磁性液体作为一种润滑剂，它与其他润滑剂的区别在于：磁性液体润滑PAO 基磁性液体的制备 剂具有利用外加磁场在普通润滑剂难以驻留的区域驻留，提供润滑的能力。另外，磁性液体润滑剂可以用磁力
18、形成阻塞，隔绝了外界的污染。 磁性液体既具有磁性材料和液体的特点 ,又具有利用磁场控制流变 性和空间形态的能力。磁性液体润滑滑动轴承正是利用磁性液体的这些特殊性能而进行工作的一种新兴科学技术。这种轴承以磁性流体为润滑介质 ,在外加磁场的作用下 ,磁性流体被控制在润滑区域内 ,接触区的润滑状态稳定 ,不会出现干摩擦 ,消除了磨损 ,提高轴承的使用寿命 ;具有一定的自密封性能 ,不发生泄漏 ,不仅对外界不产生污染 ,同时外界的污染物也无法进入轴承间隙 ;可以在低速状态下仍能保持良好的油膜润滑 ;在较高的温度状态下仍可良好地工作 ;可以在轴承间隙很小的条件下工作 ,因而具有较高的回转精度 ;节省润滑
19、油 ,无须供油系统。 10 图 1 4为华东理工大学机械工程学院确定的磁性液体滑动轴承结构示意。轴承内套的内表面作为滑动轴承的摩擦面 ,与工作轴进行滑动配合 ,轴承内套可以由常用的青铜、黄铜、轴承合金等非导磁材料进行加工 ;环形永磁体由磁性较强的永磁体加工而成 ,环形永磁体和轴承内套之间采用滑动配合 ,通过粘结剂的粘合作用使永磁体固定在轴承内套的外部 ;环形永磁体之间设有环形永磁体隔圈 ,永磁体隔圈采用非导磁金属或非金属材料加工 ,永磁体隔圈与永磁体及轴承内套之间采用粘结剂粘合在一起 ;永磁体固定环由非导磁材料加工 ,用来固定环形永磁体 ,永磁体固定环与轴承内 套之间采用粘合剂粘接。整个磁性液
20、体轴承外观上为一环形柱体。在环形永磁体两侧的轴承套和永磁体固定环上开有径向孔 ,用来将磁性液体送入到轴承套的内表面上。受环形永磁体的磁场作用 ,通过径向孔进入轴承套内表面的磁性液体将在每块环形永磁体的两端位置对应的轴承内套的内表面和转动轴之间的间隙中形成由磁性液体组成的环形液体“ O”形圈 ,由于这一“ O”形圈的存在 ,使得滑动轴承的润滑表面上始终具有充分的润滑介质 ,该“ O”形圈不仅能实现润滑作用 ,同时具有不泄漏和一定的密封作用。 10 1.2.4磁性液体在散热中的利用 当磁性液体注入扬声器的音圈气隙中时，它可以对音圈起到强化散热、阻尼的作用。并使音圈自动定心，降低了由于音圈摩擦而引起
21、的扬声器衰减，提高了装配成品率。扬声器的电声转换率只有百分之几，大部分电能转换成热能，如果输入功率很大，而音圈热量不能及时散去的话，音圈会被烧坏。磁性液体的热导率是空气的六倍左右，在音圈气隙中加入磁性液体后，音圈第一章 绪论 作者 黄向阳 5 产生的热量可以和快的传导出去，从而可以进一步提高扬声器功率，减小扬声器体积。同时磁性液体的注入还可以改善扬声器音质，提高保真度。 1.2.5磁性液体在造影中的应用 目前广泛应用的 X - 射线硫酸钡造影剂俗称钡参有如下缺点 : (1) 引入重金属钡 ,多少有些毒 ,且不易于排泄 ; (2) 服用量大 ,不易在病灶部位定向粘附 ; (3) 不易于长时间反复
22、诊断同一患部 (4) 生物兼容性差 ,服用痛苦 ,胃肠道不适。而磁性液体可以很好地取代硫酸钡成为新一代 X 射线造影剂 ,磁性液体的纳米铁氧体 (锰锌铁氧体或镁铁氧体磁粒子 )无毒 ,分散性好 ,用量少 ,磁粒子表面包裹有生物兼容的表面活性剂如明胶、谷氨酸等 ,易于附着在生物组织上又易于洗脱 ,且易于生物降解 ,同时在磁铁帮助下可定位进行精确观测。磁性液体造影剂的沉淀性等 方面还需要一些改进 ,但磁性液体将取代钡参则是毫无疑问的。 核磁共振成像是现代医疗高精尖的临床诊断技术 ,它需要将顺磁性造影剂注入患者体内 ,以便强化正常组织与疾病组织的影像对照。目前使用的造影剂都是一些顺磁性或高顺磁性的盐
23、 (如硫酸亚铁等 ) ,而磁性液体是具有超顺磁性的 ,其磁化率是顺磁性物质的磁化率的 1000 倍以上 ,因此磁性液体作为核磁共振造影剂效果更好。 5 1.2.6磁性液体应用于精密研磨 磁性液体研磨 , 是一种利用磁性液体本身所具有的流动性和外加的磁性来保证磨粒与工件被加工表面间的相对运动和压 力 , 从而达到精细研磨的工艺方法。 利用磁性液体可以进行高精度的表面研磨。日本金东京大学研究的磁性液体精密研磨技术十分引人注目。他们把碳化硅加入磁性液体中，在外加磁场的作用下，磁性液体的表观密度增大，结果磨粒浮到被磨工件表面，被磨工件在磁性液体和碳化硅的混合液中转动，进行研磨加工。这种加工的有点是，可
24、以研磨任何形状的曲面和各种材料的工件，还可以内外两面同时研磨，研磨时间短，能自动控制。 磁性液体研磨方法按其原理可以分为 3种。 磁浮置研磨 磁浮置研磨的机理如图 1-5所示 : 使用 3个以上磁铁 , 使其相 邻而磁极互不相同。由此产生的等磁力线在中心磁铁上方且呈凹形。因此 , 添加在磁性液体中的磨粒就浮置在上层 , 且集中在磁场形状产生的凹处。工件在回转过程中将磨粒搅散 , 若磁性液体中的磨粒添加率高 , 就可获得由浮置的磨粒与磁性液体图 2 磁浮置研磨原理形成的“粘土层” , 成为类似柔软抛光器的磨具。为了实现高效率的研磨 , 需要大的磨粒浮置力和保持力。这就必须增大外加磁场强度 (当磁
25、场强度增至 105A/m以上时 , 呈饱和状态 ) , 同时还需要增大作用区域的磁性液体的平均磁化率和磁场梯度。当要加大磨粒浮置力时 , 可增大垂直 方向的磁场梯度 ; 当要加大磨粒的保持力时 ,可增大水PAO 基磁性液体的制备 平方向的磁场梯度。 这种磁浮置研磨法 , 可采用图 1-6所示的简易装置实现 , 该装置由工件回转驱动部分、永久磁铁及调节温度的水槽等组成 , 用于立式数控铣床上。这种研磨法的加工量 , 一般随加工时间的增加而增加 , 并具有饱和的倾向 , 在研磨开始后的 15min 内 , 能够进行最有效在研磨 , 加工粗糙度可达Rmax= 0.15 m。 影响磁浮置研磨加工精度和
26、效率的因素除了外加磁场强度外 , 磁铁与工件的距离变化也影响磁场强度 , 因而也对研磨精度和效率产生 影响。影响加工性能的还有磁性液体和磨粒混合液的性能 , 包括磁性液体的粘度、温度、磨粒添加率和磨粒直径等。 磨粒体积添加率越高 , 磁化特性变坏 , 影响研磨效率。但磨粒添加率的提高会使混合液表层硬度提高 , 有利于加工效率和精度。研究表明 , 磨粒添加率在 41% 时加工效率最佳。磨粒平均直径变小 , 混合液表层磨粒数增加 , 表层粘度提高 , 有利于提高加工效率和加工精度。 磁浮置研磨的加工压力即是由磁场形状和磁场强度决定的磁浮置力 , 所以易于控制 , 因而有利于控制研磨的加工效率和加工精度 , 也对立体工件的研磨提供 了可能。 .磁性液体分离式研磨原理 磁性液体分离式研磨原理如图 1-7所示 , 磁性液体和工件之间 , 有一层橡胶板和一层嵌有磨粒的抛光绒布 , 在外磁场的作用下 ,磁性液体使绒布和工件压紧 , 当工件与绒布作相对运动时 , 绒布上的磨粒对工件进行微细切削 , 降低了工件表面粗糙度。这一方法加工效率较高 , 但在加工后表面留有残余应力 , 对形状复杂的工件也难以进行加工。
