多聚磷酸钠改性水基Fe3O4磁流体的制备与表征.pdf

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多聚磷酸钠改性水基Fe3O4磁流体的制备与表征1 多聚磷酸钠改性水基Fe3O4磁流体的制备与表征2 多聚磷酸钠改性水基Fe3O4磁流体的制备与表征3 多聚磷酸钠改性水基Fe3O4磁流体的制备与表征4
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多聚磷酸钠改性水基Fe。O磁流体的制备与表征29多聚磷酸钠改性水基Fe3o4磁流体的制备与表征—PreparationandCharacterizationofWaterbasedFe3O4MagneticFluidModifiedbySTPP初立秋,陈煜,苏温娟,谭惠民,赵信岐(JK京理工大学材料科学与工程学院,北京100081)————CHULiqiu,CHENYu,SUWenjuan,TANHuimin,ZHAOXinqi(SchoolofMaterialScienceandEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)摘要:采用多聚磷酸钠(STPP)对Fe。0磁性纳米粒子进行表面改性,制备稳定的水基磁流体。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析(TG)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、振动样品磁强计(VSM)及Zeta电位仪对所制备的磁流体进行表征。结果表明,STPP包覆于Fe。O磁性纳米粒子的表面,当pH>3时,粒子表面带有负电荷;磁性测试结果表明,STPP/FeO磁性纳米粒子具有超顺磁性,其饱和磁化强度为62.3A・in・kg一。关键词:多聚磷酸钠;Fe。O;磁流体;纳米材料中图分类号:TB34文献标识码:A——文章编号:10014381(2010)020029-04——Abstract:ThestablewaterbasedmagneticfluidwaspreparedbysurfacemodificationofFe3O4magneticnanoparticleswithsodiumtripolyphosphate(STPP).Themagneticfluidwascharacterizedby—FTIR,TG,TEM,XRD,XPS,VSMandzetapotentia1.TheresultsshowthatFe3O4magneticnanoparticlesarecoatedbySTPPinsurface.Particlesurfaceacquires3negativechargeatpHvalueabove—3.ItisfoundthatSTPP/Fe3O4magneticnanoparticlesaresuperparamagneticwithaspecificsaturationmagnetizationof62.3A・m・kg一.Keywords:sodiumtripolyphosphate;Fe3O4;magneticfluid;nano-material磁流体是指通过化学或物理改性方法,对磁性纳米粒子的表面进行处理,利用其表面性质变化使其在基液中既具有磁性又有流动性的稳定体系。Fe。O水基磁流体由于其具有超顺磁性和良好的生物安全性,使其在生物分离、生物检测和药物及基因载体等生物医学方面具有广阔的应用前景口]。水基Fe。O磁流体的制备多采用两步法,即首先制备Fe。O磁性纳米粒子,然后采用改性剂对其表面进行处理__2]。由于两步法对预先制备的Fe。O纳米粒子进行二次分散的效果不好,影响了表面改性的进行,因此所制备的磁流体普遍稳定性较差。制备水基Fe。O磁流体的改性剂种类很多,如柠檬酸钠[3]、聚乙二醇]、聚乙烯基吡咯烷酮等,其中对柠檬酸钠改性的Fe。O磁流体报道较多。多聚磷酸钠为工业中常用助剂或食品添加剂,是油漆、高岭土、氧化镁和碳酸钙的有效分散剂。此外,多聚磷酸钠还可与带正电的聚合物作用,通过离子凝胶的方法负载DNA分子,作为基因载体材料,具有良好的生物相容性_6]。本研究将生物相容性好、负电荷含量高的多聚磷酸钠作为一种新型改性剂,一步法制备了Fe。O磁流体,不但改善了Fe。O在水中的稳定性和分散性,还提高了其在应用中的生物安全性,有望在生物技术及医学领域得到重大应用。1实验1.1材料FeC1:・4HO,分析纯;FeC1。・6HzO,分析纯;氨水(25水溶液),分析纯;多聚磷酸钠(STPP),分析纯;其他试剂均为分析纯。1.2Fe04磁流体的制备采用共沉淀法一步制备Fe。O磁流体。常温下,按照1:1.5的比例称取0.5mol/L的FeC1・4HzO及FeC1。・6H。O水溶液于四口烧瓶中,在氮气气氛下剧烈搅拌30min,以驱除体系中的氧气。然后加入一定量的25的氨水溶液,溶液由黄色慢变为褐色,最终成为黑色。待氨水滴加完毕后,向体系中继续滴加预先配制好的多聚磷酸钠溶液。将温度升高到30材料工程/201O年2期80 ̄C,恒温30min后进行磁分离,用去离子水洗涤数次。最后将制备的产物分散于水中,即得到多聚磷酸钠改性的水基Fe。O磁流体。1.3样品表征采用NEXUS一470型傅里叶红外光谱仪,利用KBr压片法对样品进行红外光谱的表征;采用Q5000IR型热重分析仪分析样品的热性能,氮气气氛,升温℃℃速率为20/min,温度范围为室温~700;采用H一700透射电子显微镜观察样品的粒径及形貌,将水溶液样品滴于涂炭铜网上,水份挥干后直接进行观察;采’用XPertProMPD型多晶X射线衍射仪对样品的物相进行分析,使用Cu靶Ka射线,工作电压为40kV,电流为40mA。采用PHI5700型x射线光电子能谱仪对样品表面元素组成及化学状态进行分析,使用Al靶Ka射线(1486.60eV),靶功率为250W,工作电压为12.5kV;采用7407型振动样品磁强计对样品的磁学性质进行了测试,测试样品为粉末。采用JS94J型微电泳仪对不同pH样品溶液进行Zeta电位的测定。2结果与讨论2.1磁流体的结构分析2.1.1红外光谱分析图1为Fe。O及多聚磷酸钠改性Fe。0的红外光谱图。从图1中可以看出,563cm为FeO的Fe~O振动特征峰,3420cm的特征吸收峰为Fe。O表面的水解羟基的特征峰。多聚磷酸钠改性后的Fe。O除了上述特征吸收峰外,还出现了多聚磷酸钠—的特征吸收峰1641,907cm一,分别归属于PO,——POP振动吸收峰,从而说明了多聚磷酸钠在Fe。O的表面形成了包覆。40003500300025002000l5001000500Wavenumber/cm。图1Fe3O4及STPP改性Fe30的红外光谱图Fig.1IRspectrumofFe304andFe304modifiedbySTPP2.1.2X射线光电子能谱分析图2为改性及未改性Fe。O磁性纳米粒子的X射线光电子能谱的全扫描图谱。从图2中可以看出,改性前后Fe。O的特征谱线未发生明显变化,但是改性后出现了191eV和133eV两条谱线,分别对应于P。。和P。,说明Fe。O表面含有磷元素,即多聚磷酸钠在Fe。O表面起到了包覆作用。图2Fe3O4及STPP改性Fe3O4的XPS曲线Fig.2XPSofFe304andFe304modifiedbySTPP2.1.3X射线衍射及透射电镜分析图3为改性及未改性Fe。O磁性纳米粒子的X射线衍射图。从图3可以看出,改性前后Fe。O衍射峰的位置及强度均没有明显变化,与标准谱图对比可知,所制备的Fe。O为反尖晶石结构,其峰形窄而尖—锐,说明结晶完整。根据Scherrer公式Dk, ̄/pcosO可以计算所制备磁性材料的粒径大小,式中:D为平均晶粒尺寸;为X射线的波长(0.15418nm);k为Seherrer常数,其值为0.89,为用于计算晶粒尺寸的衍射峰的积分半高宽度,其单位为弧度,一般选取最强衍射峰进行计算;0为衍射角。选取311晶面,由Scherrer公式计算出共沉淀法制备的Fe。0的粒径为9.4nm,而多聚磷酸钠改性后的Fe。O的粒径为9.7nm,从而可以计算多聚磷酸钠改性Fe。O的包覆层厚度大约为0.15nm。图4为改性后Fe。O的透射电镜照片。从图4可以看出,改性后的Fe。O能够均匀分散于水中,粒径大约为10nm左右,与XRD的结果一致。这是由于经改性后的Fe。O表面带有净电荷而不易团聚的结果。2.1.4热失重分析图5,6分别为改性及未改性Fe。O磁性纳米粒子在氮气氛下的热重及其微分曲线图。从DTG曲线可℃以看出,温度在160以下,改性及未改性Fe。O都有明显的失重,这主要是由于二者均存在结合水。改性后Fe。O的初始失重率达到3.2,而未改性Fe。O32材料工程/2010年2期>g\口£0△图8Fe3O4及STPP改性Fe3O4的Zeta电位Fig.8ZetapotentialofFeaO4andFe3O4modifiedbySTPP3结论(1)FTIR,TG及XPS的结果表明,多聚磷酸钠主要包覆于Fe。O磁性纳米粒子的表面。(2)XRD的结果证明磁核为Fe。O的典型晶体结构,通过Scherrer公式计算得到纳米粒子的粒径为9.7nm,包覆层厚度为0.15nm;TEM所观察的粒径结果与XRD一致。(3)磁性能测试表明,多聚磷酸钠改性的Fe。()4具有超顺磁性,比饱和磁化强度为62.3A・ITI・kg。(4)多聚磷酸钠改性Fe。O的表面在更宽的pH值范围内呈现负电性,具有更好的稳定性和分散性。[1]E2][3][4][5][6]参考文献LEEJ,ISOBET,SENNAM.PreparationofultrafineFe3O4particlesbyprecipitationinthepresenceofPVAathighpHEJ].—JournalofColloidInterfaceScience,1996,177(2):490494.苑星海,许雪艳.琼脂改性水基Fe。O磁性液体的研制[J].材料工程,2008,(1O):3234.——HUIC,SHENCM,YANGTZ,eta1.LargescaleFe3O4nanoparticlessolubleinwatersynthesizedbyafacilemethod[J].J—PhysChemC,2008,112:1133611339.YANAG,LIUXH,QIUGZ,eta1.Solvothermalsynthesisandcharacterizati0nofsize-controlledFe3O4nanoparticles[J].—JournalofAlloysandCompounds,2008,458:487491.——熊雷,姜宏伟,王迪珍.PVPbPLA修饰Fe3O4磁性纳米粒子的制备与表征【J].高分子学报,2008,(8):791796.KASTASH,ALPARHO.Developmentandcharacterisati0n0f—chitosannanoparticlesforsiRNAdelivery[J].Journalofcontrolledrelease,2006,¨5(2):216225.————收稿日期:20090708;修订日期:20091116作者简介:初立秋(1981),男,博士研究生,主要从事功能高分子材料的合成及应用研究,联系地址:北京理工大学材料科学与工程学院(100081),E-mail:chuliqiu@bit.edu.cn通讯作者:陈煜,联系地址:北京理工大学材料科学与工程学院—(100081),Email:cylsy@163.com∈∈米米米米米米米米米米米来米柴米{I米米米米米米米米米{I米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米(上接第28页)—[7]HEYong-dong,ZHANGXinming,YOUJianghai.EffectofminorScandZronmicrostructureandmechanicalpropertiesofA1一Zn-Mg-Cu—alloyEJ ̄.TransNonferrousMetSoc,2006,16(5):12281235.[8]MCQUEENHJ,CEIIIERSOC.SubstructuralinfluenceinthehotrollingofAIal1oys[J].CanMetalQuart,1997,36:7386.[9]SPIGARELLIS,EVANGELISTAE,MCQUEENHJ.StudyofhotworkabilityofaheattreatedA6082aluminumalloy[J].Scr—MetMater,2003,49(2):179183.—[10]MCQUEENHJ,XIAX,CUIY,eta1.Soluticmandprecipitationeffectsonhotworkabilityof6201alloy[J].MaterSciEng—A,2001,319321:420424.『1lfZHANGH,LILX,DENGYA,eta1.Hotdeformationbehavior———ofthenewA1Mg-SiCualum——inumalloyduringcompressionatele—vatedtemperatures[J].MaterCharact,2007,58(2):168173.[12]吴文祥,孙得勤,曹春艳,等.5083铝合金热压缩变形流变应力—行为[J].中国有色金属学报,2007,17(1O):16671671.[13]林高用,张辉,郭武超,等.7075铝合金热压缩变形流变应力_J].中国有色金属学报,2001,¨—(3):412415.114GEERTRUYDENWV,MISIOLEKWZ,WANGPT.Grainstructureevolutionina6061aluminumalloyduringhottorsion—LJ].MaterSciEngA,2006,419:105114.L15]SUJQ,NELSONTW,STERLINGCJ.MierostructureevolutionduringFSW/FSPofhighstrengthaluminumalloys[J].—MaterSciEngA,2005,405:277286.[16]GOURDETS,MONTHEILLETF.Anexperimentalstudyof—therecrystal1izati0nmechanismduringhotdeformationofalumi—num[J].MaterSciEngA,2000,283:274288.[17]RENB,MORRISJG.MicrostructureandtextureevolutionofA1duringhotandcoldrolling[J].MetallandMaterTrans,—1995,26(1):3140.—r18]HuHE,ZHENL,YANGL,eta1.Deformationbehaviorandmi—erostructureevolutionof7050aluminumalloyduringhightempera——turedeformation[J].MaterSciEngA,2008,488(12):6471.[19]KENTAROI,YASUHIROM.DynamicrecrystallizationinA1一Mg-——ScalloysEJ].MaterSciEngA,2004,387389:647650.—[2O]CHAJR,BAEWB,HwANGWJ,eta1.Astudyonthehot—deformationbehavioranddynamicrecrystallizationofA15Mg——alloy[J].MaterProcess,2001,118(13):356361.基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2006A03Z523)———收稿日期:200812-02;修订日期:20090703作者简介:李文斌(1963),男,博士研究生,高级工程师,现从事高性能铝合金研究,联系地址:湖南长沙市麓山南路中南大学校本部材料科—学与工程学院138室(410083),Email:liwenbin.1963@163.corn通讯作者:潘清林,联系地址:湖南长沙市麓山南路中南大学校本部材—料科学与工程学院(410083),Email:pql@mail.CSU.edu.en
布丁老师
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