环保型纳米表面活性剂

环保型纳米表面活性剂（精选四篇）

环保型纳米表面活性剂 篇1

环保型纳米表面活性剂, 去污能力强, 成本低, 使用范围广泛, 适合多种领域应用。

该纳米表面活性剂的技术方案如下:

它是由以下成分按重量比配制而成, 生物酶, 阴离子表面活性剂, 纳米Si O2, 硅酸钙, 十二烷基苯磺酸钠=70∶60∶35∶16∶12。

用水或体系稀释剂稀释, 按计量把稀释过的溶液加入到已配制的体系中, 使该体系中表面活性剂的含量达到使用浓度。

纳米表面活性剂具有以下特点:

能明显改善调湿、扩散、乳化、流平等性能, 用于高档水性油漆体系中。能有效降低体系的表面张力。持久锁定在涂膜中, 可以提高涂层对油性物质的抗污性, 涂层表面的易清洗性和户外耐候性, 改善油漆涂料的润湿、流平性能, 作润湿剂、分散剂、流平剂和表面保护剂用。施工效果高、低温稳定性;在较高、低温度下, 涂层不剥落、不粘结涂膜外观;光滑、涂层平整、色泽均匀, 防水、防油污。

联系人:左义猛

地址:辽宁省沈阳市沈北新区沈北路20号

环保型纳米表面活性剂 篇2

表面活性剂的分子结构具有不对称性，即亲水性的极性基团和憎水性的非极性基团。根据其在水中能否电离将其分为离子型和非离子型表面活性剂，根据离子型表面活性剂生成的活性基团，又将其分为阴离子和阳离子表面活性剂。纳米流体中表面活性剂的选择主要考虑基液、表面活性剂的种类和浓度。在水基纳米流体中，常见的表面活性剂有阴离子型的十二烷基硫酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、阳离子型的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、非离子型的辛基苯酚聚氧乙烯醚(OPE)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。表面活性剂对纳米流体特性的影响主要从种类和浓度来考虑。针对已有的研究，总结和分析表面活性剂对纳米流体稳定性和热物性影响的实验研究，并从机理对其进行更深层次的研究。同时针对目前的研究现状，提出了未来相应的研究方向。表面活性剂对流体稳定性的影响

表面活性剂对纳米流体稳定性起着重要作用。已发表的文献中，重点研究其种类和浓度对纳米流体稳定性的影响。由于影响纳米流体稳定性的因素非常多，各因素之间的相互影响不同，实验所得的研究结果存在一些差异。

李金平等提出了水基纳米流体中选择表面活性剂的一些建议，研究了表面活性剂聚乙烯醇(PVA)和 SDBS 对 Cu、Ag 和 TiO2纳米粒子悬浮液分散稳定性的影响，得出 PVA、SDBS 及两者的混合能够使 Cu、Ag 纳米流体稳定悬浮，而不能使TiO2纳米流体保持 1h 以上的稳定悬浮。作者分析认为 TiO2纳米流体中粒子吸收光能后，在表面生成的两种化学性质很活泼的自由基抑制了表面活性剂的吸附，即表面活性剂在粒子表面没有发挥作用。PVA 和 SDBS 的混合产生的效果很好，但不清楚其混合比。

李兴等依次制备了无表面活性剂、添加SDBS、CTAB 和 PVP 三种表面活性剂的水基 TiO2纳米流体，静置 24h，进行常温下的粒径和 Zeta 电位测试来表征纳米流体的稳定性，得出纳米流体的稳定性由强到弱的排序，依次是TiO2-SDBS-H2O，TiO2-PVP-H2O，TiO2-H2O 和 TiO2-CTAB-H2O。与李金平等[10]关于SBDS对TiO2纳米流体稳定性的研究结果存在分歧，分析认为可能是纳米粒子的来源、纳米流体的制备方法、稳定性表征的方法及添加的表面活性剂的浓度等之间的差异导致的结果。

郝素菊等采用离心分散法研究 SDBS、CTAB 及乳化剂聚乙二醇辛基苯基醚(OP)对水基碳纳米管纳米流体的稳定性的影响，结果由强到弱依次是乳化剂 OP、CTAB 和 SDBS。同时研究了其浓度对流体稳定性的影响，表明存在最佳的浓度值使得流体的稳定性最佳，SDBS、CTAB 和乳化剂OP 三种表面活性剂的最佳浓度分别为 3.0g/L，1.6g/L 和 1.56g/L。朱冬生等[13]有关SDBS及其浓度变化对水基 Al2O3纳米流体悬浮稳定性的结果与此相似。通过 Zeta 电位和吸光度的表征，得出浓度对流体稳定性有重要影响，最佳的 SDBS 质量分数为 0.1%。林海斌等[14]研究表明纳米粒子 γ-Al2O3对表面活性剂 PEG600 存在一个饱和吸附值，且在该值附近纳米流体的稳定性最好。

程波等研究了表面活性剂OP-10及其浓度的变化对炭黑-氨水纳米流体悬浮稳定性的影响。结果表明，OP-10 及其浓度变化都影响流体稳定性，纳米颗粒的团聚现象随OP-10浓度的增加而改善，加入 2%、3%和 4% OP-10 的纳米流体在 7 天后出现了纳米颗粒沉积，晃动试管后颗粒会重新分散。

Yang 等制备了含表面活性剂 OP-10 的炭黑-氨水纳米流体和含表面活性剂 SDBS 的 Al2O3-氨水纳米流体，用吸光度进行表征，得出随着表面活性剂浓度的增加，纳米流体稳定性先增加后减小，OP-10 和 SDBS 的最佳质量分数依次是 0.3%、0.1%。且表面活性剂 OP-10 对炭黑纳米粒子的吸附存在一个反应时间。

宋晓岚等研究了混合表面活性剂对水基CeO2纳米流体的分散稳定性的影响，混合表面活性剂为 CTAB+Tween80(1∶1)，SDBS+Tween80(1∶1)。结果表明，含混合表面活性剂的流体均比只含一种表面活性剂的流体的 Zeta 电位值高，即混合表面活性剂对纳米流体的稳定性影响更 好，且 含 SDBS+Tween80 的 溶 液 大 于 含CTAB+Tween80 的溶液的 Zeta 电位绝对值。王赛等[18]的研究也表明混合表面活性剂对纳米流体的稳定性影响更好。

综上所述，表面活性剂的种类和浓度是影响纳米流体稳定性的重要因素，存在最佳浓度值使得所制备的纳米流体分散稳定性最佳。为了得到更加稳定的纳米流体，混合表面活性剂及其混合的比例可以作为一个研究方向。表面活性剂对流体稳定性影响的机理

在实验研究的同时，学者们还深入研究了表面活性剂使得纳米流体分散稳定的作用机理，主要包括静电稳定机理和空间位阻效应，解释如下[25]。

(1)表面活性剂吸附在纳米颗粒表面，增加了粒子之间的距离，减小了Hamaker常数，从而降低纳米粒子之间的范德瓦尔斯引力势能。

(2)表面活性剂吸附在纳米颗粒表面形成双电层，当两粒子的双电层不重叠时，粒子被反离子完全屏蔽，两粒子双电层之间处于静电平衡状态，颗粒之间无任何斥力。当两粒子的双电层发生重叠，粒子不能被反离子完全屏蔽，粒子间的双电层静电平衡状态被破坏，粒子间的双电层斥力增加。

(3)表面活性剂吸附在纳米颗粒表面形成吸附层，吸附层的重叠会产生一种新的斥力势能阻止纳米颗粒发生团聚，这种新的斥力势能称为空间斥力势能，这种稳定作用称为空间稳定作用。

李兴等测量和分析了含表面活性剂的 TiO2纳米流体中纳米粒子表面的吸附层厚度与结构。分析认为，SDBS 和 CTAB 都通过“静电稳定机制”使纳米粒子稳定悬浮于溶液中。SDBS 先在水中电离产生带负电的极性头端，吸附于带正电的 TiO2纳米颗粒表面，疏水尾端指向水基液。然后其疏水尾端相结合，极性头端指向水基液。这种结构增加了颗粒间的静电排斥力，减小了其团聚趋势，使得体系拥有良好的分散稳定性。而CTAB 则以疏水尾端与纳米颗粒表面结合，极性头端指向水基液，在颗粒表面形成不稳定的单层吸附。且体系中 CTAB 的浓度超出了其临界胶束浓度，形成了大量胶束，胶束之间的渗透压作用使得 TiO2纳米颗粒相互吸引，从而大大降低体系的分散稳定性。PVP 通过“空间位阻稳定作用”使 TiO2纳米颗粒分散悬浮于水基液中。PVP分子中疏水性的亚甲基非极性基团将会吸附在 TiO2纳米颗粒表面，而亲水性的内酰胺极性基团会伸展在水中，这种结构使得体系保持较好的分散稳定性。

Yang 等研究了纳米流体中表面活性剂在纳米颗粒表面的吸附形式，即单层吸附和双电层吸附。对于非极性单质纳米颗粒，如 Cu、CNTs、CB，在溶液中不发生电离，其表面吸附形式是单层吸附。图 2(a)为在单层吸附形式下表面活性剂对纳米颗粒的作用。当纳米颗粒添加到无表面活性剂的溶液中时，纳米颗粒的高比表面积和比表面能，布朗运动及范德瓦耳斯力使得粒子碰撞团聚。加入少量的表面活性剂时，其分子的非极性碳氢链吸附于颗粒的表面，此时颗粒通过表面活性剂分子的空间位阻效应而分散在溶液中。然而，由于吸附层的不饱和性，此时溶液是不稳定的。当添加适量的表面活性剂时，表面活性剂分子的亲水端完全垂直地延伸到水相中，在颗粒表面形成稳定的单层吸附。

金属氧化物纳米颗粒，如 Al2O3、Fe2O3、CuO和ZnO，在水中发生电离，与在水中完全电离的离子型表面活性剂相连接，其表面吸附形式为双电层吸附。图 2(b)表示在双电层吸附形式下表面活性剂对纳米颗粒的作用。当添加少量的表面活性剂时，纳米流体的稳定性增强，纳米粒子的表面电荷因吸附表面活性剂而减少。当添加适量的表面活性剂，粒子表面的正负电荷平衡，过量的表面活性剂吸附在疏水端末尾的链表面上，其亲水端进入溶液中，纳米颗粒再一次带电，形成双电层吸附，其强烈的静电阻力使得纳米流体保持稳定分散。

宋晓岚等研究了混合表面活性剂分散纳米CeO2颗粒的协同作用，得出了一个两步吸附理论：①强吸附性离子表面活性剂的极性基团在极性纳米 CeO2颗粒表面的吸附，很大程度上增加 Zeta电位，从而产生静电稳定作用;②非离子表面活性剂吸附在纳米 CeO2颗粒表面，其碳氢链相互作用并延伸到水中产生空间位阻稳定作用。低浓度时，表面活性剂以离子交换或离子对方式在固-液界面上发生单分子吸附，其离子头吸附在固体表面上，疏水的碳氢链则深入到溶液中。添加适量的表面活性剂浓度时，粒子表面的碳氢链与溶液中表面活性剂离子碳氢链间的相互作用产生了疏水吸附，形成双分子层聚集体。随着浓度的增大，混合表面活性剂开始形成胶团，而非离子表面活性剂此时往往是通过形成氢键而吸附。

包楚才等研究了表面活性剂 CTAB、SDBS和 PEG2000 对 CdSSe-H2O 纳米流体稳定性的影响，且提出了 SDBS 在带负电荷的纳米粒子 CdSSe表面的竞争吸附理论。分析认为，阴离子表面活性剂在CdSSe表面是双电层吸附。当表面活性剂浓度较低时，SDBS 负离子会挤占颗粒表面的 Na+位置而吸附在颗粒表面，使得颗粒总体负电位更强，颗粒间的斥力增大，纳米流体实现稳定分散。当阴离子表面活性剂浓度较大时，大量的 Na+被挤进吸附层，与分散剂分子发生竞争吸附，降低悬浮液稳定性。

总的来说，无论一种表面活性剂还是混合表面活性剂，其对纳米颗粒的作用机理都离不开静电稳定机制和空间位阻效应，且已发表文献主要从纳米颗粒类型，表面活性剂种类和浓度三方面进行研究。此外，从分子的微观运动角度出发，可以采用分子动力模拟方法等更深一步的研究表面活性剂对纳米流体的稳定性影响的机理。含表面活性剂的水基纳米流体的热物性

3.1 表面活性剂对纳米流体的热导率的影响

纳米流体的热导率一直是实验研究的焦点。由于纳米粒子的特殊性，纳米流体的热导率受到粒子种类、形状、粒径、浓度、基液和稳定方式等因素的影响。已有的纳米流体热导率数学模型，均基于粒径、粒子形状、布朗运动和界面层等因素而建立。目前，关于表面活性剂对纳米流体热导率的影响的文献比较少。下面是常用纳米流体热导率数学模型的总结和含表面活性剂的纳米流体的热导率的实验研究，为后续的研究者提供参考。

Yang 等研究了不同种类的表面活性剂对纳米颗粒界面层厚度的影响，提出了包含表面活性剂影响的热导率模型，其中当颗粒表面为单分子层吸附时，界面层厚度为分子链长度;当颗粒表面为双电层吸附时，界面层厚度为分子链长度的两倍。虽然在低浓度纳米流体中，计算值与实验值比较一致，但多个变量的存在，使得表面活性剂对纳米流体热导率的影响还需深入研究。

Li Xinfang 等研究的表面活性剂 SDBS 的浓度对溶液热导率的影响，表明 SDBS 对纯水和水基铜纳米流体热导率的影响基本一致。随着SDBS 浓度的增加，溶液的热导率先增加后减小，分界点浓度为 0.03%。Zhou 等的研究结果与 Li Xinfang 一致，溶液热导率最高点对应的 SDBS 的浓度为 0.03%。

Wusiman 等研究了表面活性剂SDBS和SDS对水基多壁碳纳米管流体的热导率的影响。研究表明，在只添加表面活性剂的溶液中，溶液的热导率降低。与纯水相比，在碳纳米管和表面活性剂共存的溶液中，仅添加0.25%SDBS的0.5%CNTs纳米流明 SDS 对纳米流体热导率影响不大，且在低浓度时，溶液热导率最低。分析认为实验结果相反的原因可能是纳米流体的制备方法，稳定性及纳米粒子属性等存在差异。

影响纳米流体热导率的因素非常多，因此研究某种因素对纳米流体热导率的影响对建立模型及实际应用有重大意义。以上文献分别从表面活性剂种类和浓度方面对溶液热导率的影响进行了实验研究，但由于众多因素的存在，实验结果存在分歧。因此，需要更多的表面活性剂对纳米流体热导率影响的实验，为建立更加合适的数学模型做基础。

3.2 表面活性剂对纳米流体的黏度的影响

黏度是流体运输中的另一重要参数，研究纳米流体黏度的变化规律对其在实际的能量运输中的应用非常重要。已发表文献从纳米粒子体积分数、大小、形状及基液属性和温度等方面对流体黏度的影响进行了实验研究，建立的模型。而表面活性剂对纳米流体黏度的影响研究的较少。

Zhou 等研究了表面活性剂及浓度对溶液黏度的影响。PVP 溶液的黏度随着其浓度的增加而增加;SDS 和 SDBS 对溶液黏度的影响趋势一致，质量分数低于 0.05%时，黏度随其浓度的增加而增加，质量分数高于 0.05%时，黏度先减小再增加;溶液黏度随 CTAB 浓度的增加先降低再升高。分析认为分子链的长短及多少是影响流体黏度的因素。高浓度的表面活性剂会形成胶团影响溶液的黏度。

Yang 等研究了表面活性剂 SDBS 和 OP-10的浓度对氨水溶液动力黏度的影响。结果表明，存在最佳的浓度值，使得溶液动力黏度最低。当大于该值时，溶液的动力黏度随表面活性剂浓度的增加而增加。并建立了单层吸附和双电层吸附形式下的动力黏度模型。结果表明，表面活性剂的浓度及类别是影响纳米流体黏度的重要因素。

Li 等研究了表面活性剂 SDBS 对Cu-H2O 纳米流体黏度的影响，表明 SDBS 的浓度影响纳米流体的表观黏度，随着其浓度的增加，纳米流体的黏度轻微的增加。Ghadimi 等关于 SDS对 TiO2纳米流体的黏度的影响有相似的趋势。

以上研究表明，表面活性剂会增加溶液的黏度。随着浓度的增加，不同种类的表面活性剂对纳米流体的黏度影响不一致。关于添加表面活性剂的流体的黏度模型，还需要更多的实验研究。结 语

纳米流体作为一种新型的换热工质，已经成为关注的焦点。本文主要总结和分析了表面活性剂对纳米流体稳定性影响的相关实验研究，及其对纳米颗粒的作用机制。然后总结了纳米流体中热导率和黏度计算的相关模型，及表面活性剂对流体热物性影响的实验。研究结果表明，表面活性剂的种类和浓度对纳米流体的稳定性存在着重要影响。存在最佳的表面活性剂浓度使得纳米流体的稳定性最佳。众多不确定因素，如制备方法，流体稳定性，颗粒属性等，使得有关表面活性剂对纳米流体的稳定性和热物性的实验结果存在分歧，热导率和黏度的理论模型难以确定。因此，对于表面活性剂对水基纳米流体特性的影响，提出以下的建议。

(1)混合表面活性剂对纳米流体的稳定性影响较好，但关于混合的表面活性剂对纳米流体的热导率和黏度的影响没有相关实验研究。因此，可以从混合的表面活性剂的组合及其比例两方面进一步研究含表面活性剂的纳米流体的稳定性和热物性。

(2)运用分子动力模拟等方法，进一步研究表面活性剂对纳米流体稳定性影响的微观机制。

(3)表面活性剂影响纳米流体的稳定性、热导率及黏度。但流体的稳定性和热导率及黏度之间的是否存在一定的关系，是需要解决的问题。

环保型纳米表面活性剂 篇3

微/纳米粉体表面有机包覆技术的应用

有机包覆技術应用过程中的自组装技术分析。自组装技术是通过静电作用使溶液中的高分子单体自由吸附于胶体颗粒以及将带有相反电荷的高分子过饱和溶液中的高分子自由单体进行洗涤和离心分离。一般而言，可以采用高分子电解质对可分解的球形聚合物模板进行修饰，从而使其表面中带有静电，然后将二氧化硅粒子与吸附纳米级的金粒有效吸附，然后经过离心运动多次循环往复洗涤分离，最终获得致密而且均匀的多层包覆膜。另外，还可采用两步组装技术对聚合物中的电解质进行包覆组装，将经过有效组装包覆的基体置于悬浮溶液中，悬浮液中的粒子在受到表层聚合电解质作用就会不断下沉，从而制备成完整的多层超薄膜。该技术具有操作简便的优点，而且在实际的操作中不需过多特殊的操作设备。因此这种技术可以逐渐朝着实用化以及功能化方向发展。

有机包覆技术应用过程中的聚合物包裹技术分析。聚合物包裹法主要是将单体在纳米颗粒中的聚合物经过纳米颗粒以及聚合物的作用使其成功得到包裹，这种包裹方式与自组装包裹技术相比，具有很好的分散性，而且相对于上一种包裹技术，操作过程更加简单，有广泛的适用面，不仅可以实现在无机粒子中进行包裹，而且可以实现在有机粒子中进行包裹。通常适用于一些形状不太规则的粒子包裹过程中，但是其也具有一定的包裹局限性，例如这种包裹法会导致核粒径在高分子的聚合物母体中产生严重的团聚现象。

有机包覆技术应用过程中的微胶囊化改性技术分析。微胶囊化改性技术是指在颗粒子的表层中覆盖一层厚膜，从而使颗粒表面受到良好的屏蔽作用和保护作用。主要的应用优点是具有良好的稳定性与吸光率。

微/纳米粉体表面无机包覆技术的应用

无机包覆技术应用过程中的气相包覆技术分析。这种技术是利用气体或者其它的手段使壳层物转化为一种气体，这种气体经过化学反应或者物理反应使纳米颗粒被有效包覆。这种包覆技术所制备的复合粉体尽管纯度高、组分易于控制、团聚少，但是这种包覆技术在实际应用过程中对包覆设备的要求很高，因此不利于其广泛推行应用。

无机包覆技术应用过程中的固相包覆技术分析。与有机包覆技术相比，无机包覆技术主要是采用其它机械设备以及混料设备、研磨设备对固相材料进行机械处理从而得到微/纳米包覆粉体，这一包覆技术可以有效缓解包覆电离子在充放电过程中总电阻增加的局面，使包覆材料的高温循环性能可以得到大大优化。这一包覆技术尽管操作过程简便以及操作设备简单；但是由于其壳一核结构的结合性能性不强，因此在实际的应用过程中，颗粒的粒度分布以及颗粒的形貌呈现难以达到一定的设计预期效果，因此在我国的纳米技术领域尚未得到广泛的应用。

无机包覆技术应用过程中的液相包覆技术分析。与固相包覆法相比，气相包覆技术主要包括了溶胶一凝胶技术以及沉淀法、微乳法三种子技术工艺。第一种溶胶一凝胶法主要是通过壳层源物质的综合化学反应以及醇解作用、水解作用等得到前驱物溶胶物质，这种溶胶物质还要经过事先处理的被包裹颗粒进行混合，从而使溶胶转化为凝胶，最终获取被包覆的粉体。从粉体物质的制备过程中可以看出，被包覆的复合型粒子不仅化学均匀性更好，而且能够使粒子的抗氧化性以及烧结性能得到不断的优化，所以此种技术工艺在实际的应用过程中能量损耗低、工艺设备相对简单、化学反应的温度较低，综合这些不同的应用优势，目前已被我国众多的工业生产方所使用。

沉淀法主要是将沉淀剂加入含有粉体颗粒中的混合性溶液中，也可以经过化学反应的沉淀生成剂使改性离子发生沉淀化学反应，最后在颗粒表面中析出，最终获得微/纳米粉体。这种技术工艺可以对各组分的实际含量进行精确控制，此外制备过程中所采用的工艺设备较为简单，因此有利于我国工业化生产中的规模化生产。微乳液技术工艺主要的操作原理是采用油包水型微乳液中的微小核未对工业中需要进行包覆的超细粉体进行科学制备，然后采用微乳聚合技术工艺对微/纳米粉体进行包覆改性。这一技术工艺是一种有效制备爆覆型颗粒的有效方式。

微/纳米粉体表面金属包覆技术的应用。金属包覆技术主要包括粉末冶金技术以及化学镀法、氢还原法三种，粉末冶金是通过非金属粉末与金属粉末的混合，然后采用烧结成型的方式制备包覆型复合材料的一种技术方式；当前这一种技术工艺凭借其低成本以及高性能的优势，已经成为我国工业化发展过程中生产陶瓷基以及高性能金属基复合材料的重要技术工艺；而化学镀法是一种不需要任何外加电流，能够规模化应用的金属包覆技术：与其相比，氢还原技术是一种最常用的技术工艺，主要通过将催化剂以及核心粉末加入到镍盐溶液中，通过氢气对镍进行还原，从而形成一种包覆型复合粉末物质。

综上所述，本文主要针对我国微/纳米粉体表面包覆的基本形成理论以及实际的形成机制进行分析，通过微/纳米粉体表面包覆物质的不同情况，分别对微/纳米粉体表面有机包覆、金属包覆以及无机包覆等几大不同技术进行研究，对常用的微/纳米粉体表面包覆技术的相关内容进行阐述，在此过程中对微/纳米粉体表面包覆技术中存在的不足之处进行探究，提出相关的解决对策。

环保型纳米表面活性剂 篇4

FePt合金不仅具有高的矫顽力(9.2×103kA/m)、大的单轴磁晶各向异性(Ku=7×106J/m3)和较小的超顺磁临界尺寸(Dp=2.8~3.3nm),还具有良好的化学有序性和热稳定性,可以应用于新一代垂直磁记录技术,能获得比传统水平磁记录技术更高的记录密度,从而满足硬盘的高记录密度要求,有望实现超大密度的硬盘存储技术。因此,FePt纳米材料成为当前研究的热门之一,其优异的物理化学性能及在磁记录方面的潜在应用使其受到广泛关注[1,2,3,4]。2000年Sun等通过高温(297℃)分解Fe(CO)5,同时以多元醇还原Pt-(acac)2来制备FePt 纳米颗粒。但是在该制备方法中存在2个问题:(1)Fe(CO)5是挥发性剧毒有机化合物,制备工艺操作困难;(2)用多元醇(十六烷二醇)还原Pt(acac)2会加快金属前驱体的消耗,制备出的颗粒尺寸较小[5,6]。

为了解决上述问题,很多研究人员尝试了以其他的铁源作为前驱体,如以Fe(acac)3、Na2Fe(CO)4和Fe(OEt)3[7,8]等代替Fe(CO)5为原料,毒性小,挥发性低,能够准确控制FePt的化学组成,但是很难同时控制颗粒的化学组成和尺寸分布。

以氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)为铂源、乙酰丙酮铁(Fe-(acac)3)为Fe源、1,2-十二烷二醇为还原剂,在二苄醚反应溶液中制备出单分散的FePt纳米颗粒,但是反应所需温度在260℃以上,此温度太高不易控制[9]。

基于以上考虑,本实验尝试以氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)为铂源、乙酰丙酮铁(Fe(acac)3) 为铁源,以还原能力相对较弱、价格相对便宜的乙二醇代替1,2-十二烷二醇为还原剂,温度控制在180℃左右,在乙二醇反应溶液中制备出单分散的FePt纳米颗粒,并且分析了油酸和油胺或者CTAB作为表面活性剂对颗粒形貌及性能的影响。

1 实验

1.1 原料与仪器

氯铂酸H2PtCl6·6H2O(沈阳矿冶研究所试剂二厂,光谱纯),乙酰丙酮铁Fe(acac)3(新泽西美国),乙二醇(天津市凯信化学工业有限公司),油酸(天津市恒兴化学试剂制造有限公司,分析纯),油胺(东京化成工业株式会社,分析纯),十六烷基三甲基溴化铵CTAB(上海中秦化学试剂有限公司,光谱纯),无水乙醇(天津市百世化工有限公司,分析纯),实验室用水均为自制二次蒸馏水。

FA2104N型分析天平(上海精密科学仪器有限公司),CL-2型恒温加热磁力搅拌器(郑州长城科工贸有限公司),80-1型离心沉淀机(金坛市大地自动化仪器有限公司),KQ5200B超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司),RE52-99型旋转蒸发器(上海亚荣生化仪器厂),DZF-6050型真空干燥箱(上海精密实验设备有限公司)。

1.2 FePt纳米颗粒的制备

首先在流动的Ar气氛下将 20mL H2PtCl6·6H2O(19.3mmol/L)乙醇溶液、0.1368g Fe(acac)3、20mL乙二醇加入100mL的三口瓶反应容器中,在磁力搅拌器下搅拌均匀后,将混合溶液加热至80℃并保温30min。然后向容器中加入表面活性剂油酸和油胺各0.75mL或0.9845g CTAB,并以8℃/min的升温速率将混合溶液加热至195℃回流3h,移除加热装置,冷却、离心得到黑色产物,用无水乙醇超声清洗数次,最后将得到的黑色产物在40℃真空干燥48h即为所制备的纳米颗粒。S1、S2、S3分别表示未使用表面活性剂、使用表面活性剂油酸油胺和使用表面活性剂CTAB所制得的样品。

1.3 产物的表征

采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)对FePt纳米颗粒进行物相分析;采用JEM-2010型透射电镜(TEM)观察FePt纳米颗粒的粒径及形貌;采用7304型振动样品磁强计(VSM)测定FePt纳米颗粒的磁性能。

2 结果及讨论

2.1 XRD分析

图1是 所制备FePt纳米颗粒样品S1、S2和S3的XRD图谱。图1中出现了明显的(111)、(200)、(220)和(311)特征衍射峰,这是面心立方(FCC)结构FePt纳米颗粒的特征峰,说明表面活性剂的使用与否及使用表面活性剂的类型不同都不会影响所制备FePt纳米颗粒的结构,结果均显示为FCC结构。根据Scherrer方程式对样品S1、S2、S3的尺寸进行估算,结果表明,样品S1、S2和S3的晶粒尺寸分别为4.7nm、3.4nm和3.2nm。

2.2 TEM形貌分析

图2为FePt纳米颗粒的TEM照片及尺寸分布图,其中图2(a)、(b)为样品S1,图2(c)、(d)为样品S2,图2(e)-(g)为样品S3。

从图2(a)中可以看出,未使用表面活性剂时(样品S1)所制备的FePt纳米颗粒团聚现象较严重,颗粒形状不规则。从图2(c)中可以看出,使用表面活性剂油酸油胺时(样品S2)所制备的FePt纳米颗粒分散性得到很大改善,颗粒的形状近似为球形,但是有四方形纳米结构出现。原因是表面活性剂油酸的-COOH基团能够以共价键合Fe原子,形成-COOH-Fe的键合形式;而油胺的-NH2基团就像一个电子提供者,能够与Pt产生配位键结。在反应过程中Pt较容易被还原而在溶液中形成晶核,由于油酸油胺的选择性键合作用,油胺吸附Pt的{100}晶面上,从而导致沿[111]方向上快速增长,油胺起到抑制成核的作用,同时油酸起到抑制生长的作用,因此FePt纳米颗粒会形成立方纳米结构[10]。从图2(e)中可以看出,使用表面活性剂CTAB(样品S3)对FePt纳米颗粒进行修饰,所制得的纳米颗粒分散性较样品S1也有很大改善,且其形状显示有大量蠕虫状出现。从动力学分析可知其原因可能是:表面活性剂与晶体某面的吸附几率决定了晶体的生长速率,而不同晶面的生长速率是决定形成最后形状的重要因素。FCC结构FePt的(111)面相对于其他晶面表面能最低,即γ(110)>γ(100)>γ(111),这就意味着CTAB在(111)面的粘附几率最低,因此,FePt纳米颗粒会优先在(111)面形核并长大。另外,CTAB中的极性离子端选择性地吸附在FePt纳米颗粒表面,减弱了沿[111]方向的生长速率,提高了沿[110]方向的生长速率[11],最终形成蠕虫状。图2(a)、(c)和(e)右下角的选区电子衍射显示所制备的FePt纳米颗粒为多晶结构。从图2(b)、(d)和(g)中的粒度分析可以看出,样品S2(图2(d))中纳米颗粒平均粒径为3.9nm,样品S3(图2(g))中纳米颗粒平均粒径为3.7nm,笔者推测油酸和油胺在反应过程中有抑制成核的作用,从而会得到较大尺寸的纳米颗粒[12]。样品S1(图2(b))中纳米颗粒平均粒径为6.0nm,其尺度分布较宽,而加入表面活性剂的样品S2和S3尺度分布都较窄,显示出表面活性剂对纳米颗粒有良好的单分散性。这也与通过XRD计算所得的结果相吻合,说明油酸油胺和CTAB都能很好地改善颗粒的粒度分布。另外,从图2(f)的高分辨透射电镜(HRTEM)照片中可以看到清晰的晶格条纹,经过表征其为FePt纳米颗粒{111}晶面。

2.3 VSM分析

图3为FePt纳米颗粒的磁滞同线,可以看到FePt纳米颗粒的饱和磁化强度(Ms)都较小。笔者推测这是由于纳米颗粒粒径较小、颗粒表面原子所占原子总数的比例较高、磁矩取向随机分布、外加磁场强度不够大等因素引起的,但是饱和磁化强度Ms之间的差别却很明显:样品S2和S3的Ms明显高于样品S1的Ms。原因是在一定的外加磁场强度下,各向异性的四方形纳米结构或蠕虫状纳米结构与无规则颗粒状相比,需要更大的外加磁场强度实现磁矩的取向,故达到饱和时需要的外加磁场强度就更大,使得样品S1的Ms相对较低。另外,样品S2与S3饱和磁化强度的差别主要是由颗粒尺寸引起的,而样品S2的Ms大于样品S3的Ms,说明样品S2的颗粒尺寸大于样品S3的尺寸,这与XRD的结果一致。由图3还可见,剩余磁磁化强度(Mr)和矫顽力(Hc)趋近于零,FePt纳米颗粒呈现超顺磁性。

因此,FePt纳米颗粒的磁性能是由颗粒的尺寸、形貌、结构、结晶性综合作用的结果。

3 结论

(1)以Fe(acac)3为Fe源、氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)为Pt源、乙二醇为还原剂和溶剂,成功制备出单分散的FePt纳米颗粒。

(2)XRD分析表明所制备的FePt纳米颗粒为FCC结构。

(3)TEM分析表明油酸油胺和CTAB对纳米颗粒分散性起到改善作用。表面活性剂CTAB和油酸油胺修饰的FePt纳米颗粒比未加表面活性剂时颗粒的尺寸要小。油酸油胺修饰的FePt纳米颗粒近似为球形,但是有少量的四方形纳米结构出现;而经CTAB修饰的FePt纳米颗粒显示为蠕虫状。

(4)VSM分析表明FePt纳米颗粒的矫顽力趋近于零,显示出超顺磁性。

摘要：分别以乙酰丙酮铁(Fe(acac)3)和氯铂酸(H2PtCl6.6H2O)作为Fe源和Pt源,乙二醇作为还原剂和溶剂,通过多元醇还原法制备出单分散的FePt纳米颗粒,并研究了表面活性剂油酸油胺和CTAB对FePt纳米颗粒形貌和磁性能的影响。通过X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和振动样品磁强计(VSM)对纳米颗粒进行表征。结果表明,表面活性剂油酸油胺和CTAB修饰的FePt纳米颗粒均为面心立方(FCC)结构,分散性良好,粒径分布较未使用表面活性剂时变窄;油酸油胺修饰的FePt形貌主要是球形,但是有四方形纳米结构出现;而CTAB修饰的FePt形貌有蠕虫状产生。VSM结果显示其矫顽力都趋近于零,呈现超顺磁性。

关键词：FePt纳米颗粒,多元醇还原,CTAB,油酸油胺

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