磁流体制备及分选特性研究

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磁流体是一种液体功能材料,由磁性粒子、基液和表面活性剂组成,具有液体流动性的同时,还兼备了固体磁性粒子所具有的磁性。磁流体在外磁场作用下,会显示磁特性、粘度特性、磁浮特性、磁光特性以及热磁特性等性能,使其在生物、化工、医疗、密封、阻尼、航天、冶金、选矿、废水处理和传感器等方面有着广泛的应用。本文采用共沉淀法制备四氧化三铁粒子,考察反应温度和反应时间、物料配比以及加药速率等因素对四氧化三铁粒度的影响,采用油酸钠和十二烷基苯磺酸钠对四氧化三铁粒子进行表面改性,通过透射电镜、X射线衍射分析、红外光谱分析、振动样品磁强计、激光粒度分析仪和Zeta电位等检测手段,检测产物分散性、形貌、粒度、物质组成、表面活性剂与四氧化三铁表面作用情况、磁性能以及表面电势的变化,比较油酸钠直接包裹与间接包裹的磁流体的稳定性的差异。结果显示,在80℃,Fe3+与Fe2+的比值为1.4,Fe3+和Fe2+溶液的浓度为0.5mol/L,NaOH浓度为2mol/L,NaOH用量为理论值的1.3倍,将NaOH快速加入到铁盐混合溶液中,反应20min后,可以得到粒度为0.790μm的四氧化三铁粒子,晶化90min后,可得到比较完整的晶体。洗掉体系中的杂质离子后,将四氧化三铁的浓度调到16mg/mL,调节pH值为5.5,油酸钠用量为四氧化三铁质量的20%,超声波分散20min,在80℃下机械搅拌30min,再冷却至室温,加入四氧化三铁质量10%的SDBS,反应10min,可以得到稳定性较好的磁流体,静置一个月没有明显的分层,此时采用马尔文Zeta电位粒度检测仪检测到四氧化三铁粒子的平均粒度为125nm。在稳定性方面,间接改性的效果要优于原位改性;透射电镜结果显示,包裹后的四氧化三铁的分散性好于未被包裹的四氧化三铁,经统计,四氧化三铁颗粒粒度为10nm左右;XRD检测结果表明,共沉淀法的产物是四氧化三铁,结晶度较好,粒度为14nm;红外光谱显示,油酸钠和十二烷基苯磺酸钠与四氧化三铁表面发生吸附作用,油酸钠的吸附比十二烷基苯磺酸钠吸附的牢固;磁流体的磁滞曲线经过原点,无剩磁和矫顽力,说明具有超顺磁性;Zeta电位检测结果表明四氧化三铁经表面活性剂改性后表面电势的代数值升高,与胶体稳定性理论所述的电势越高,胶体越稳定的这一理论相符合。通过在不同磁场强度下,不同粒级的石英、黄铁矿和电气石在不同浓度的磁流体中的沉降试验,考察磁流体对三种矿物的作用情况。结果显示,磁流体浓度越大,磁场强度越强,沉降速率越慢,说明提高磁场强度或者磁流体浓度,可以增大磁流体的视在密度。根据连续性方程、Maxwell方程、广义欧姆定律、磁流体Bernoulli方程以及动量守恒和能量守恒方程,得出外磁场作用下,矿物在磁流体中所受到的磁场作用力,,其中,近似得出矿物所受到的磁浮力为,磁流体的可视密度为,矿物受到的合力为,当F>0时,矿粒合力向上,将向上移动;F<0时,合力向下,将向磁流体底部运动;F = 0时,矿粒静止在磁流体内部的某一位置。
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