史博川

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽(yáng) 110166）

超聲波是一種波長(zhǎng)為100mm～0.1mm，頻率在10kHz～106kHz的機(jī)械波，波速約為1450m/s～1500m/s。超聲波也是一種波動(dòng)形式，可以作為探測(cè)與負(fù)載信息的載體。并且超聲波也是一種能量形式，它能夠引發(fā)新的反應(yīng)通道或加快化學(xué)反應(yīng)。

超聲波在傳播過(guò)程中與介質(zhì)相互作用，振幅和相位發(fā)生改變，使物質(zhì)的一些化學(xué)、物理和生物狀態(tài)或特性發(fā)生改變，或是加速這種改變的進(jìn)程，因而發(fā)生一系列效應(yīng)，如化學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和生物效應(yīng)等。這種效應(yīng)可總結(jié)為以下三種基本作用：空化作用、熱作用、機(jī)械作用。

目前，聲空化作用引發(fā)的化學(xué)和特定物理環(huán)境為制取納米級(jí)材料提供了新的途徑，聲空化方法逐步成為制備特定功能材料的一項(xiàng)新技術(shù)，主要涵蓋超聲霧化法、超聲化學(xué)法等。

納米材料含有大量處于晶粒內(nèi)和晶界缺陷中心的原子，晶粒細(xì)小，材料具有量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)。納米材料在力學(xué)、催化、磁性、光學(xué)等方面具有很多特殊的性能。β-Fe2O3和α-Fe2O3是納米米氧化鐵紅主要成分。納米氧化鐵紅除了具有普通氧化鐵的無(wú)毒、耐腐蝕等特點(diǎn)外，還具有色澤艷麗、分散性高、對(duì)紫外線具有良好屏蔽和吸收效應(yīng)等特點(diǎn)。

制備納米氧化鐵紅的方法較多，按物料反應(yīng)狀態(tài)來(lái)分，可以分為干法和濕法。濕法一般以Fe2(SO4)3、FeSO4、Fe(NO3)3或FeC13為原料，應(yīng)用水熱法、沉淀法、膠體化學(xué)法、強(qiáng)迫水解法等制備。濕法是近年工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)室普遍采用的制備納米粉體的方法。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)采用沉淀法制備納米氧化鐵紅，在可溶性的鐵鹽溶液里加入NaOH作為沉淀劑，形成不溶性的氫氧化鐵，從反應(yīng)溶液中析出沉淀相，將原有的雜質(zhì)陰離子從溶液和溶質(zhì)中洗去，通過(guò)焙燒后制得所需的納米氧化鐵紅粉體。

為了驗(yàn)證超聲波對(duì)制備納米氧化鐵紅納米粒子性能的影響，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn):超聲波(頻率為40 kHz，功率140W)、機(jī)械攪拌(攪拌速度=700/rpm)、溶液pH值13.5，溫度80℃，反應(yīng)時(shí)間60 min，在制備Fe(OH)3沉淀反應(yīng)階段，采用如下方式：

（1）機(jī)械攪拌作用；

（2）超聲波和機(jī)械攪拌共同作用；

最后將兩種方式制備出的Fe(OH)3沉淀在相同的焙燒條件下焙燒即：焙燒溫度800℃，焙燒時(shí)間120min，最后對(duì)兩種納米氧化鐵紅進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 不同的作用方式下的掃描電鏡圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

兩種條件下反應(yīng)制得的氫氧化鐵粒子經(jīng)過(guò)洗滌、過(guò)濾和烘干，并在730℃下焙燒120min，將制取的納米粉體進(jìn)行SEM掃描電鏡分析，如圖1(a)、(b)、(c)、(d)所示。

分析結(jié)果表明：在超聲波和機(jī)械攪拌共同作用下，沉淀速度加快，體系顏色變化加快，生成的粒子粒徑??；單機(jī)械攪拌作用下，沉淀及氧化速率慢，在攪拌反應(yīng)25min后反應(yīng)溶液體系才出現(xiàn)色澤的改變，同時(shí)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)；結(jié)果表明，圖(b)、(d)中α-Fe2O3納米顆粒粒度小，平均粒徑在50nm～100nm，基本為均勻球狀形態(tài)，團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯；而圖(a)、(c)中α-Fe2O3納米顆粒尺寸較大，團(tuán)聚現(xiàn)象顯著，納米粒子尺寸分布不均勻且球狀形態(tài)不明顯。

沉淀相的成核和生長(zhǎng)過(guò)程是化學(xué)沉淀法制備納米材料的關(guān)鍵。沉淀反應(yīng)中晶核生長(zhǎng)過(guò)程和晶核成核過(guò)程互相競(jìng)爭(zhēng)，顆粒生長(zhǎng)速度大于成核速度，反應(yīng)生成的晶粒越大；顆粒成核速度大于生長(zhǎng)速度，反應(yīng)生成的晶粒越小?；瘜W(xué)沉淀法制取的納米材料晶粒粒徑主要決定于晶核生長(zhǎng)和生成的相對(duì)速度。納米氧化鐵制備過(guò)程中，反應(yīng)體系在超聲場(chǎng)作用下，產(chǎn)生了空化效應(yīng)。反應(yīng)液歷經(jīng)超聲波的壓縮相和稀疏相時(shí)，氣泡收縮、生長(zhǎng)、再收縮、再生長(zhǎng)，反復(fù)多次周期性振蕩，最后發(fā)生高速分裂。在裂解過(guò)程中產(chǎn)生高速射流和劇烈沖擊波，射流的時(shí)速可達(dá)450km/h，同時(shí)在固液表面發(fā)生劇烈的沖擊效應(yīng)，因而使固體晶粒粒子分散，消除晶粒的團(tuán)聚效應(yīng)。

3 結(jié)論

通過(guò)超聲波對(duì)可溶性的鐵鹽溶液進(jìn)行有效處理，應(yīng)用沉淀法浸出鐵的固相沉淀經(jīng)過(guò)堿洗凈化處理，研磨成粉末狀進(jìn)行焙燒制備納米氧化鐵紅研究，考察了超聲波作用對(duì)制備納米氧化鐵紅的影響，研究結(jié)果表明：超聲波場(chǎng)應(yīng)用于納米氧化鐵的制備過(guò)程中有如下作用：有利于晶粒成核，在沉淀反應(yīng)過(guò)程中增加晶核數(shù)量，晶粒粒徑尺寸降低，提高納米材料性能。由于空化效應(yīng)產(chǎn)生的高速射流和劇烈沖擊波，能夠切斷和破碎粒子，降低晶粒團(tuán)聚幾率。超聲波引發(fā)的混合作用使反應(yīng)體系更分散均勻。單獨(dú)機(jī)械攪拌作用下，制取的成品晶粒粒徑大，沉淀反應(yīng)速率慢；在超聲波和機(jī)械攪拌同時(shí)作用下，納米氧化鐵粒子粒徑小，加快了沉淀反應(yīng)速率，并降低了晶粒團(tuán)聚幾率。在超聲波作用下制得粒徑均勻的球形粉體納米鐵紅，平均粒徑在50nm～100nm之間，物化性能優(yōu)越。