賈朝富，邢美波，張洪發(fā)，王瑞祥

(北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京市建筑能源高校綜合利用工程技術(shù)研究中心，北京 100044)

0 引 言

近十年來，納米流體作為一種高性能的傳熱工質(zhì), 在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1]。納米流體是將納米級(jí)尺寸的粒子以一定的方式和比例添加到基液中，形成一種具有高導(dǎo)熱、均勻、穩(wěn)定的新型傳熱工質(zhì)。各種金屬、金屬氧化物、不同形態(tài)的碳(納米管、石墨烯等)、陶瓷和金屬碳化物可以作為納米粒子添加到基液中。實(shí)驗(yàn)測試表明，室溫下直徑為1.7 nm、長度為2.6 μm的單壁碳納米管，其軸向熱導(dǎo)率為3 500 W/(m·K)，而導(dǎo)熱性能優(yōu)異的銅的熱導(dǎo)率僅為385 W/(m·K)[2]。碳納米管是以sp2雜化為主，并混合有sp3雜化的一維中空管狀結(jié)構(gòu)[3]。由于其獨(dú)特的管狀結(jié)構(gòu)，決定了其在熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)具有優(yōu)異的性質(zhì)[4]。碳納米管的定向高熱導(dǎo)率在強(qiáng)化換熱領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注并在近年取得了新的突破。碳納米管的各向異性體現(xiàn)在軸向熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于徑向，但由于徑向很軟，容易發(fā)生形變，常規(guī)下呈現(xiàn)一種雜亂無序的排列，熱導(dǎo)率提升有限。Fe3O4是一種反尖晶石結(jié)構(gòu)，在外磁場的作用下具有超順磁性，有研究者將金屬及金屬的氧化物與碳納米管復(fù)合，通過外場的作用研究其所具備的獨(dú)特性質(zhì)[5]。MWCNT-Fe3O4流體有機(jī)結(jié)合了納米技術(shù)、磁性和液體流動(dòng)性等屬性[6]，在外磁場作用下可以定向移動(dòng)，呈現(xiàn)規(guī)律的排列，這種排列結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率提升遠(yuǎn)高于無序分布，在實(shí)現(xiàn)能量高效和可控傳遞領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿7-9]，有望應(yīng)用于微電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)微處理器等方面[10]。

由于用途不同，制備磁性流體所需要的基液與分散劑也不盡相同，因此研究其制備方法具有較高的實(shí)用意義。制備MWCNT-Fe3O4復(fù)合材料的方法有化學(xué)共沉淀法、溶劑熱法、微乳液法、溶膠-凝膠法等[11]，不同制備方法具有不同要求及特點(diǎn)。馬連湘等[12]采用化學(xué)共沉降法制備Fe3O4包覆碳納米管的納米復(fù)合材料，采用兩步法將制備的材料分散到水中制備成穩(wěn)定的磁性納米流體，使用透射電子顯微鏡( TEM) 表征其分散性，采用靜置方法分析其穩(wěn)定性。歐氣局等[13]采用溶劑熱法在240 ℃下使乙酰丙酮鐵在多壁碳納米管/乙醇分散液中熱分解，得到Fe3O4-CNT納米復(fù)合材料。Okoli等采用微乳液法制得大小為2～10 nm的Fe3O4納米顆粒[14]。Qi等通過溶膠-凝膠法制得了粒徑約為12 nm的Fe3O4納米顆粒，并采用XRD、TEM 等方法進(jìn)行表征[15]。劉曉紅等[16]對(duì)油酸修飾后的納米Fe3O4磁性粒子的形貌、結(jié)構(gòu)與磁性能進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)表面活性劑的存在可以有效地減少納米Fe3O4磁性粒子之間團(tuán)聚。李瑞雪[17]利用各種表征手段對(duì)MWCNT-Fe3O4結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?；瘜W(xué)共沉淀法制得的納米磁性材料存在易團(tuán)聚的問題需要解決，有研究人員在加入沉淀劑的同時(shí)加入少量的表面活性劑，或?qū)WCNT進(jìn)行酸處理來解決制備過程中的團(tuán)聚問題[18]，但對(duì)于流體的穩(wěn)定性少有系統(tǒng)性地闡述，流體的穩(wěn)定性是決定納米流體長期使用的先決條件，因此研究納米流體穩(wěn)定性至關(guān)重要。

本文對(duì)MWCNT-Fe3O4磁性復(fù)合納米材料的制備工藝及流體穩(wěn)定性進(jìn)行研究。首先用酸處理和添加少量分散劑制備出高磁性納米材料。隨后，通過靜止離心實(shí)驗(yàn)研究了不同表面活性劑在不同濃度下對(duì)MWCNT-Fe3O4流體穩(wěn)定性的影響，最后將沉淀量進(jìn)行對(duì)比分析，SDBS分散劑用量與樣品比例為1∶1時(shí)，MWCNT-Fe3O4流體具有較高的分散性和穩(wěn)定性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)選取純度95%，長度10～30 μm，直徑10～20 nm的MWCNT。以濃硝酸酸化的MWCNT作為復(fù)合工藝碳源，氯化亞鐵和氯化鐵作為合成過程中的鐵源，選用氨水作為沉淀劑提供堿性環(huán)境促使MWCNT與Fe3O4復(fù)合。合成反應(yīng)副產(chǎn)物氯化銨易在堿性環(huán)境下生成氨氣逸出反應(yīng)體系，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)物的純度。實(shí)驗(yàn)所采用的材料明細(xì)表如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料明細(xì)表

用型號(hào)為上海比朗DL-2020的恒溫水浴槽提供酸化回流反應(yīng)冷卻水，冷卻水溫度設(shè)置為10 ℃；用高精度電子分析天平(梅特勒-托利多AL204)稱取實(shí)驗(yàn)所需材料；用超聲波清洗機(jī)打開納米級(jí)別的小團(tuán)聚體，更好地分散納米流體，型號(hào)為昆山超聲KQ2200B；用磁力加熱攪拌器(上海ZNCL-T 250ML)作為沉淀法反應(yīng)裝置，通過攪拌不僅可以促使熱量均勻散開，還可以提供長程的機(jī)械力使反應(yīng)充分進(jìn)行；干燥樣品選用型號(hào)為科晶DZF-6050-HT/500的真空干燥箱，干燥溫度設(shè)置為80 ℃，干燥時(shí)間為12 h。

制備樣品分散性和形貌用高倍透射電子顯微鏡測試，型號(hào)為日本電子JEM2100；采用pekin-Elmer Spectrum GX紅外光譜儀測試制備樣品的紅外光譜(FT-IR)；用X射線粉末衍射光譜(XRD)對(duì)制備樣品晶相組成分析，型號(hào)為XPert PRO MPD，以Cu Kα為X射線源(λ=0.15406 nm)；材料的磁性通過振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(美國量子 PPMS-9T)來表征，測試溫度為20 ℃，磁場范圍為(±2)T。

1.2 MWCNT-Fe3O4的制備

高穩(wěn)定MWCNT-Fe3O4材料的制備流程主要由MWCNT界面修飾預(yù)處理、超聲分散MWCNT前驅(qū)體、磁力攪拌反應(yīng)3個(gè)步驟組成。對(duì)MWCNT表面酸處理，缺陷處的碳被氧化成羥基和羰基，羥基和羰基進(jìn)一步氧化成羧基，親水基團(tuán)的增多可以提高原始碳納米管的分散性，在水基中分散良好的MWCNT可以在缺陷處更多地化學(xué)合成Fe3O4材料。制備時(shí)添加少量分散劑可以及時(shí)包裹生成的Fe3O4及酸化的MWCNT，提高兩者之間包覆效果，利用空間位阻效應(yīng)阻止團(tuán)聚，采用兩種界面修飾的方法制備了高穩(wěn)定的MWCNT-Fe3O4復(fù)合材料。對(duì)應(yīng)的方程式為：

FeCl2+FeCl3+8NH4OH→Fe3O4+8NH4Cl+4H2O

MWCNT-Fe3O4的復(fù)合采用化學(xué)沉淀法，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，具體合成方法如下：取1.00 g MWCNT置于100 mL的濃硝酸中水浴回流3 h，自然冷卻至室溫，然后純水洗滌至中性，采用抽濾裝置抽濾，移至干燥箱中烘干。取0.05 g 酸化的MWCNT加入10 mL純水，置于超聲清洗機(jī)振蕩10 min，酸化修飾后的MWCNT均勻地分散在水中。分別稱取0.135 g FeCl3·6H2O和0.05g FeCl2·4H2O分散到純水中制備成鐵鹽溶液。將超聲振蕩的MWCNT分散液和鐵鹽溶液混合，保持磁力攪拌狀態(tài)，攪拌的同時(shí)滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的氨水和少量的SDBS分散劑，70 ℃反應(yīng)30 min。利用產(chǎn)物具備磁性的特點(diǎn)，將磁鐵置于燒杯底部，將產(chǎn)物與基液分離，純水反復(fù)洗至中性，將濕的沉淀物轉(zhuǎn)移到干燥箱中干燥12 h。干燥后獲得的塊狀樣品，研磨成粉末，室溫下儲(chǔ)存。

圖1 MWCNT-Fe3O4共沉淀法制備實(shí)驗(yàn)裝置圖 Fig 1 Experimental apparatus for preparation of MWCNT-Fe3O4 coprecipitation method

高穩(wěn)定MWCNT-Fe3O4材料在水基中制備而成，MWCNT和水表面層的分子與水體系分子相比具有過剩自由能處于不對(duì)稱力場環(huán)境中，由于任何體系總是趨向于降低自身的自由能，在表面張力的作用下水基存在自動(dòng)縮小表面積的趨勢，而MWCNT表面通過富集溶液中的溶質(zhì)(FeCl3、FeCl2、NH4OH以及SDBS)以減小面分子受力不對(duì)稱的程度，MWCNT表面上發(fā)生物理吸附，表面上的溶質(zhì)在氨水提供的堿性環(huán)境下迅速合成Fe3O4粒子。如圖2所示，生成的Fe3O4粒子和MWCNT之間發(fā)生物理鍵合，MWCNT中的π電子與Fe3O4中的π電子以非共價(jià)鍵作用相結(jié)合，得到功能化的碳納米管，復(fù)合過程并沒有破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)性質(zhì)[19-20]。

圖2 Fe3O4粒子和MWCNT連接流程圖Fig 2 Flow-chart of connection between Fe3O4 particles and MWCNT

1.3 磁性納米流體制備

將復(fù)合材料采用超聲振蕩(物理手段)和分散劑界面修飾(化學(xué)手段)相結(jié)合的方法制備成MWCNT-Fe3O4流體。超聲振蕩可以解開復(fù)合材料團(tuán)聚體，添加分散劑改變納米材料表面屬性來提高納米材料的分散性，加強(qiáng)膠體體系的穩(wěn)定性。

制備高穩(wěn)定性水基MWCNT-Fe3O4流體需要合適的分散劑，分散劑選取不當(dāng)則不能吸附在納米材料的表面。與此同時(shí)，分散劑與復(fù)合材料的配比也影響著制備流體的穩(wěn)定性。分散劑用量過多則會(huì)出現(xiàn)過飽和吸附的情況，穩(wěn)定性變差，用量過少，則會(huì)導(dǎo)致部分材料沒有包裹完全，不足以克服相互之間的引力，引發(fā)團(tuán)聚。只有當(dāng)分散劑加入的量恰好將顆粒表面包覆時(shí)，才能最大限度地發(fā)揮其位阻穩(wěn)定作用。

實(shí)驗(yàn)選取4種不同類型分散劑來研究制備流體的穩(wěn)定性，分別是阿拉伯樹膠粉GA、十二烷基苯磺酸鈉SDBS、十二烷基磺酸鈉SDS、十六烷基三甲基溴化銨CTAB。其中，GA擁有大量親水性長支鏈，具有很好的水溶性，SDBS和SDS作為陰離子表面活性劑，CTAB屬于陽離子表面活性劑，不僅可以發(fā)揮空間位阻的效用，還可以利用靜電穩(wěn)定作用防止納米材料團(tuán)聚。分散劑詳細(xì)信息如表2所示。

表2 分散劑物化性質(zhì)明細(xì)表

4種分散劑用量與粉末樣品比例分別選取為2∶1、1∶1、1∶2、1∶3，配置質(zhì)量濃度0.1%的納米流體。超聲過程中流體會(huì)發(fā)熱起泡，可以每間隔5 min中取出靜置冷卻，累計(jì)超聲30 min制得如墨汁般穩(wěn)定的納米流體。選用不同分散劑制得16種流體經(jīng)離心機(jī)2 000 r/ min的轉(zhuǎn)速離心，干燥離心后所得的沉淀，對(duì)沉淀百分率進(jìn)行對(duì)比分析，并經(jīng)過30 d的沉降觀察來研究納米流體的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 MWCNT-Fe3O4材料紅外光譜分析

化學(xué)反應(yīng)對(duì)應(yīng)有新化學(xué)鍵的形成，在3 000～300 cm-1波長范圍內(nèi)，對(duì)酸化MWCNT及所制備MWCNT-Fe3O4樣品進(jìn)行掃描，得到其紅外光譜圖，如圖3所示。在2 910和1 630 cm-1處分別對(duì)應(yīng)羥基-OH和羰基-C=O的振動(dòng)峰，1 380和1 062 cm-1分別對(duì)應(yīng)甲基CH3和共軛羰基C-O-C的振動(dòng)峰。結(jié)果表明，MWCNT具有不飽和性，對(duì)MWCNT表面酸處理，缺陷處的碳被氧化成羥基和羰基。與酸化MWCNT的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，559 cm-1處對(duì)應(yīng)的是Fe-O鍵的振動(dòng)峰，表明Fe3O4已生長在MWCNT的表面。

圖3 鐵氧鍵生成的紅外光譜圖Fig 3 Infrared spectra of ferro oxygen bond formation

2.2 MWCNT-Fe3O4材料形貌分析

材料的形貌通過高倍透射電子顯微鏡(TEM)表征，圖4為MWCNT-Fe3O4流體的TEM圖，該圖展示出Fe3O4和MWCNT之間存在著包覆結(jié)構(gòu)。圖4(a)展示的是常規(guī)方法合成MWCNT-Fe3O4材料的電鏡圖，F(xiàn)e3O4粒子表面具有較高的活性，出現(xiàn)了明顯團(tuán)聚的現(xiàn)象[21]。在常規(guī)法的基礎(chǔ)上引入界面修飾，在制備過程中添加少量SDBS分散劑，可以將MWCNT以及所生成的Fe3O4及時(shí)包裹起來如圖4(b)所示，明顯達(dá)到解團(tuán)聚的目的。在圖4(c)中，在常規(guī)法基礎(chǔ)上對(duì)原始MWCNT表面進(jìn)行酸處理，所制備的MWCNT-Fe3O4也得到了較好的分散效果。進(jìn)一步研究，同時(shí)采用兩種界面修飾，所制備的MWCNT-Fe3O4分散效果更好如圖4(d)所示，不僅達(dá)到了解團(tuán)聚的目的，同時(shí)MWCNT-Fe3O4的外部包裹上一層分散劑吸附層，極大增強(qiáng)了納米流體的穩(wěn)定性。通過4張電鏡圖的對(duì)比可以得到，化學(xué)沉淀法中Fe3O4在合成時(shí)易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，采用原始MWNCNT表面酸處理和分散劑包裹可以有效地解團(tuán)聚，這種物理鍵合的手段，沒有破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)，且使得碳納米管具備了超順磁性。此外，同時(shí)采用兩種界面修飾手段制備的復(fù)合材料，F(xiàn)e3O4均勻包覆在MWCNT表面，并在復(fù)合材料的表面形成一層分散劑吸附層，有效阻止了納米材料的團(tuán)聚。

圖4 樣品的透射電鏡圖Fig 4 Transmission electron microscopy of the sample

2.3 MWCNT-Fe3O4材料XRD分析

X射線衍射(XRD)分析不僅可以定性得到物質(zhì)的種類、相結(jié)構(gòu)，還可以通過謝樂公式得到晶粒尺寸。圖5為上述4種樣品的XRD衍射圖。圖5所示的振動(dòng)峰表明樣品存在兩種物相，分別是MWCNT和Fe3O4的峰，復(fù)合材料的譜線中Fe3O4的峰分別在30.15，35.72，43.32，53.85，57.35和63.12°處出現(xiàn)6個(gè)衍射峰，這些衍射峰的位置和相對(duì)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)立方尖晶石結(jié)構(gòu)的(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)晶面。另外在26.3°處出現(xiàn)的峰為石墨的特征峰，與MWCNT有關(guān)。Fe3O4的衍射峰并未改變，說明Fe3O4在包覆的過程中晶核沒有受到破壞，保留著完好的磁性能[22]。

采用謝樂公式可以計(jì)算晶體的平均粒徑，如式(1)所示。

(1)

式中，半高寬β與衍射角θ對(duì)應(yīng)(311)晶面，λ為X射線波長，d為晶體的平均粒徑。

圖5(a)展示了采用常規(guī)法制備Fe3O4的X射線衍射光譜，依據(jù)式(1)計(jì)算其平均粒徑為12 nm，與透射電鏡拍攝的圖像分析結(jié)果平均粒徑10 nm具有較高的一致性?；诔Ｒ?guī)法在制備時(shí)添加少量SDBS分散劑如圖5(b)所示，計(jì)算制得Fe3O4粒徑為10.43 nm，圖5(c)在常規(guī)法的基礎(chǔ)上，對(duì)原始MWCNT表面酸處理，在MWCNT上合成的Fe3O4粒徑為9.54 nm，采用兩種界面修飾方法，合成Fe3O4粒徑為10.61 nm(圖5(d))。測試表明酸處理和添加分散劑兩種方式可以改善復(fù)合材料在水基中的分散性和穩(wěn)定性，并不會(huì)影響Fe3O4的粒徑大小。

圖5 樣品XRD衍射圖Fig 5 XRD patterns of the sample

MWCNT上附著的Fe3O4粒子粒徑大小不僅影響流體的穩(wěn)定性，還影響其磁性能。磁性粒子粒徑較小，則粒子間的磁作用力可以被布朗運(yùn)動(dòng)抵消，團(tuán)聚體不易形成，穩(wěn)定性提高[22]。粒徑大則導(dǎo)致相鄰Fe3O4粒子形成異性磁極，相互吸引，在重力場和外磁場作用下發(fā)生聚沉，復(fù)合材料中Fe3O4粒子比例急劇下降，導(dǎo)致磁能力變差。張銀燕等[23]采用濕化學(xué)共沉淀法制備了納米Fe3O4磁性流體，經(jīng)過TEM等手段的表征，證明平均粒徑為10 nm時(shí)穩(wěn)定性良好。

2.4 MWCNT-Fe3O4材料磁性能分析

通過振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)評(píng)價(jià)復(fù)合材料的磁性能，圖6為采用4種方式制備的MWCNT-Fe3O4的磁滯回線，將磁性強(qiáng)弱進(jìn)行量化研究。常規(guī)法制備的MWCNT-Fe3O4測量其磁滯回線如圖6(a)所示，其飽和磁化強(qiáng)度為13.94 Am2/kg。制備時(shí)加少量SDBS分散劑，制備的MWCNT-Fe3O4通過振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測量其磁滯回線如圖6(b)所示，其飽和磁化強(qiáng)度為21.80 Am2/kg。對(duì)MWCNT酸處理，制得的MWCNT-Fe3O4飽和磁化強(qiáng)度為17.17 Am2/kg(圖6(c))。對(duì)MWCNT酸處理，且制備時(shí)加SDBS分散劑兩種手段相結(jié)合，制得的MWCNT-Fe3O4飽和磁化強(qiáng)度為20.72 Am2/kg(圖6(d))。結(jié)果表明，MWCNT的壁面經(jīng)酸處理表現(xiàn)出負(fù)電性，和Fe3+之間存在結(jié)合力，但是非常微弱。十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)包覆的復(fù)合材料磁性較強(qiáng)，歸因于分散劑對(duì)MWCNT進(jìn)行表面修飾不僅可以增強(qiáng)其表面負(fù)電性，且分散劑的包裹可以阻止復(fù)合材料中磁微粒量的減少，進(jìn)而保護(hù)磁性核心不受侵蝕。

圖6 采用4種方式制備的MWCNT-Fe3O4的磁滯回線Fig 6 Hysteresis loops of MWCNT-Fe3O4 prepared by four methods

將制備的磁性納米材料直接分散于水中，采用磁場強(qiáng)度為200 mT的磁鐵在距離杯壁1 cm處進(jìn)行吸附，結(jié)果如圖7所示。圖7(a)是常規(guī)法制備的MWCNT-Fe3O4材料，10 s左右全部吸附到杯壁上，具有較強(qiáng)的磁響應(yīng)能力[24]。MWCNT表面酸預(yù)處理后制備MWCNT-Fe3O4材料(圖7(b))8 s左右全部吸附到杯壁上。制備時(shí)添加分散劑所制備的材料如圖7(c)所示，以及同時(shí)采用兩種方式制備MWCNT-Fe3O4材料(圖7(d))由于分散劑增強(qiáng)流體的穩(wěn)定性，添加分散劑后觀察不到材料與水的分離。表明對(duì)MWCNT進(jìn)行分散劑預(yù)修飾可以提高其在水中的分散性。

圖7 磁鐵吸附圖Fig 7 Magnetic adsorption diagram

2.5 MWCNT-Fe3O4流體分散穩(wěn)定性分析

采用4種表面活性劑對(duì)所制備MWCNT-Fe3O4磁性納米材料進(jìn)行分散，研究分散劑的種類及用量對(duì)水基磁性納米流體分散穩(wěn)定性的影響。表面活性劑在納米流體制備過程中起穩(wěn)定作用，其原理是表面活性劑分子吸附在納米材料表面，利用靜電排斥、空間位阻與范德華力之間的作用力達(dá)到平衡而實(shí)現(xiàn)的。表面活性劑吸附在納米材料表面，改變了納米材料表面性質(zhì)，從而改變其在水中的分散行為[25]。圖8為選取GA、SDBS、SDS、CTAB 4種表面活性劑作為分散劑制備的16種納米流體經(jīng)加速離心沉降后的沉淀量分析圖。經(jīng)過2 000 r/ min高速離心，將離心管底部沉淀干燥稱量，發(fā)現(xiàn)采用SDBS分散劑與MWCNT-Fe3O4材料用量比例1∶1所制備的流體僅沉降了9%，相對(duì)于其他組沉淀量最小。

圖8 分散性研究對(duì)比圖Fig 8 Comparison diagram of dispersity studies

MWCNT-Fe3O4流體靜置30 d，分析其穩(wěn)定性，如圖9所示，GA表面活性劑杯壁上有少量絮狀沉淀，歸因于GA高分子長鏈相互交聯(lián)導(dǎo)致粘度增大。SDBS和SDS兩種陰離子型表面活性劑的穩(wěn)定性較好，CTAB出現(xiàn)大量的沉淀則是由于樣品在制備過程中加入的分散劑為SDBS陰離子型表面活性劑與CTAB陽離子型表面活性劑，二者為兩種帶相反電荷的分散劑分子，二者在基液中發(fā)生聚沉，導(dǎo)致磁性粒子急劇下降。

圖9 (a)GA 4種不同比例納米流體；(b)SDBS 4種不同比例納米流體；(c)SDS 4種不同比例納米流體；(d)CTAB 4種不同比例納米流體Fig 9 (a) Four nanofluids with different proportions of GA; (b) four nanofluids with different proportions of SDBS; (c) four nanofluids with different proportions of SDS; (d) four nanofluids with different proportions of CTAB

3 結(jié) 論

通過化學(xué)沉淀法成功地制備了MWCNT-Fe3O4材料，F(xiàn)e3O4粒徑均勻適當(dāng)，控制在10 nm左右，MWCNT結(jié)構(gòu)沒有遭到破壞，F(xiàn)e-O鍵以非共價(jià)鍵的方式吸附在碳納米管側(cè)壁上，二者的復(fù)合賦予了MWCNT超順磁性。對(duì)MWCNT-Fe3O4復(fù)合材料引入分散劑和酸處理兩種界面修飾方法，并將不同方法制備的復(fù)合材料進(jìn)行表征，得出結(jié)論如下：

(1)采用酸處理和分散劑改性對(duì)MWCNT進(jìn)行預(yù)處理可以明顯改善材料的界面結(jié)構(gòu)、減少磁性粒子團(tuán)聚，同時(shí)不會(huì)影響Fe3O4的粒徑大小，粒徑控制在8～12 nm，較小粒徑可使微粒間的磁作用力被布朗運(yùn)動(dòng)抵消，而不致相互集結(jié)，具有良好的穩(wěn)定性。同時(shí)，分散劑對(duì)于MWCNT-Fe3O4材料的包裹可阻止復(fù)合材料中磁微粒量的下降，進(jìn)而保護(hù)其磁性核心不受侵蝕。

(2)MWCNT的壁面引入了親水性基團(tuán)-COOH和-OH，從而表現(xiàn)出負(fù)電性，但是非常微弱。十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)對(duì)MWCNT進(jìn)行表面修飾可以增強(qiáng)其表面負(fù)電性，和Fe3+之間形成更強(qiáng)的結(jié)合力，促使MWCNT壁面連接更多的Fe3O4粒子。

(3)選取不同表面活性劑作為分散劑制備水基MWCNT-Fe3O4磁性納米流體，通過靜置離心實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SDBS的分散性能整體優(yōu)于GA、SDS、CTAB。其中SDBS分散劑用量與樣品比例為1∶1時(shí)，MWCNT-Fe3O4流體具有較高的分散性和穩(wěn)定性。