磁性Fe3O4纳米粒子的双层改性

刘春丽

(河南工业职业技术学院化学工程系，河南南阳 473009)

Fe3O4由于具有磁性且原料易得、价格低廉而被大量应用于涂料和油墨等领域;而纳米Fe3O4粒子在磁记录材料、固定化酶、免疫诊断、靶向药物、催化剂载体、磁性微球和生物探针等方面显示出许多特殊功能。

Fe3O4通常采用共沉淀法来合成，但是Fe3O4容易被氧化，因此，需对其进行改性，使之能在空气中稳定存在，在应用时不受限制。如果油酸单层改性Fe3O4粒子[1］，在以后的使用过程中需对制得的

Fe3O4粒子烘干，烘干过程中部分Fe3O4易被氧化，而使其磁性衰减。本文采用共沉淀法合成Fe3O4粒子，并以水和乙醇为分散介质，利用油酸和十二烷基苯磺酸钠先后对其进行改性，制得分散性良好的磁性Fe3O4流体。

1 实验部分

1.1 主要原料

FeCl2·4H2O，分析纯;FeCl3·6H2O，分析纯;十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，化学纯;油酸，化学纯;氨水(质量分数为25% ～28%)，分析纯;无水乙醇，分析纯;二次蒸馏水。

1.2 磁性Fe3O4粒子的合成及改性

将分别配制好的FeCl3和FeCl2溶液加入250 mL三颈瓶中，于30℃水浴中强烈搅拌，并快速加入氨水，反应在N2气保护下进行30 min后停止搅拌。取出三颈瓶，用蒸馏水洗涤几次。将一定量的水和乙醇加入反应瓶中，并在恒温60℃条件下，滴入适量油酸，滴完升温至85℃继续反应30 min，自然冷却至室温，加入SDBS，再继续反应30 min后得到分散性好的黑色磁性Fe3O4流体。

1.3 表面活性剂对Fe3O4的改性机理

图1 双表面活性剂对Fe3O4的改性机理

采用油酸和SDBS两种表面活性剂对磁性Fe3O4粒子进行改性，其改性机理为:第一层表面活性剂为油酸，油酸中的羧基和Fe3O4表面的羟基反应，从而使其键合在Fe3O4的表面，而其疏水端向外，第二层表面活性剂SDBS，根据相似相溶的原理，SDBS的疏水端和油酸的疏水端形成双层胶束，其亲水端向外，由于静电排斥作用，从而使磁性粒子可以很好地分散到极性溶剂中，使之得到更广泛的应用。

2 结果与讨论

2.1 Fe3O4红外谱图分析

图2 改性Fe3O4的红外谱图

图2是改性后的Fe3O4红外谱图，由图2可以看出，在1 600 ～1 560 cm-1，1 420 ～1 300 cm-1处有油酸的COO—的特征吸收[2］，苯环的特征吸收在1 600 cm-1，1 580 cm-1，650 ～ 910 cm-1处，磺酸根的特征吸收峰在1 220～1 160 cm-1，1 070～1 030 cm-1处，在585 cm-1处的峰是 Fe3O4的特征吸收。由红外谱图可以说明此样品中有Fe3O4磁性粒子，以及油酸和SDBS在改性过程中未发生分解或其他化学反应。

2.2 Fe3O4衍射(ED)结果

图3a和b分别为改性前后Fe3O4粒子的X射线衍射谱图，从图中可以明显地看到改性前后谱峰基本没有变化，表明在改性中Fe3O4的晶体结构没有改变。而在 2θ=30.43°、35.80°、43.48°、57.35°、62.92°处都有衍射谱峰的出现，与Fe3O4的立方晶面相对应[3］，XRD分析该物质为晶尖石结构Fe3O4。根据Debye-Sherrer[4］方程计算得到其平均粒径约为10 nm。

2.3 改性前后Fe3O4透射电镜分析

图3 改性前后Fe3O4的X射线衍射谱图

图4 Fe3O4改性前(a)、后(b)的透射电镜照片

图4 a和b分别是改性前后Fe3O4的电镜照片，从图a中可以明显的看出改性前的Fe3O4粒子之间因存在作用力而聚集在一起，而用双层表面活性剂改性后的Fe3O4粒子却有着较好的分散性。

3 结论

本文首先利用化学共沉淀法合成了纳米级的Fe3O4粒子，Fe3O4为晶尖石结构，粒子平均粒径在10 nm左右;制得的Fe3O4粒子经改性之后，由于粒子表面被双层表面活性剂所包覆，因而粒子之间会产生静电斥力，使得粒子在溶剂中能够均匀分散。

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