磁性納米粒和磁性流體制備與應(yīng)用

前言

　　20世紀60年代，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者Feyneman曾預(yù)言：如果人類能夠在原子/分子的尺度上來加工材料、制備器件，我們將有許多激動人心的新發(fā)現(xiàn)。納米科技是21世紀非常重要、將對人類的生存和發(fā)展產(chǎn)生顯著影響的科技領(lǐng)域。納米材料是納米科技的核心與基礎(chǔ)。　　本書涉及磁性納米粒與磁性流體的制備、改性、表征和應(yīng)用實例等方面內(nèi)容。磁性流體是借助于表面活性劑的作用，將納米級的磁性粒子均勻分散在載液中而形成的穩(wěn)定膠體，在重力場或強磁場作用下仍能夠保持長期穩(wěn)定。磁性流體因其獨特的磁流變特性，被認為是材料科學(xué)領(lǐng)域最具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦椭悄懿牧?。磁性流體的應(yīng)用涉及旋轉(zhuǎn)密封、油田開采、生物醫(yī)藥、催化劑載體、橡膠/塑料助劑、選礦分離、環(huán)保、新能源及節(jié)能技術(shù)等高新技術(shù)?！　〈判粤黧w研究起源于20世紀50年代，美國的Papell在1963年獲得第一個磁性流體制備專利，并于1965年在NASA航天產(chǎn)品的密封中獲得成功應(yīng)用，從而引發(fā)了對這種新型材料的研究開發(fā)和應(yīng)用，并不斷地取得新的進展，逐漸從實驗室邁向?qū)嵱没?。從近些年召開的磁性流體國際會議情況來看，研究主要集中在磁性流體的制備和保存，磁性流體的流體力學(xué)、熱力學(xué)、磁光效應(yīng)、磁性流體的實用技術(shù)等方面。其中，磁性流體理論方面的研究較多，而其應(yīng)用方面的研究則較少，主要原因是對磁性流體性能和微觀機理掌握不夠，應(yīng)用起來難度大；相關(guān)數(shù)據(jù)缺少，定量計算困難；磁性流體性能測試及標準問題不完善等。由于納米粒比表面積大，粉體表面又有很多電荷或官能團，其比表面能高，屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，在制備、分離、后處理及存放過程中極易發(fā)生粒子凝并、團聚現(xiàn)象，形成二次粒子，使粒徑變大，導(dǎo)致最終應(yīng)用時失去納米粒應(yīng)有的物性和功能。另外，納米粒很容易與其它原子結(jié)合，在空氣中會吸附氣體并與氣體反應(yīng)，造成粒子的污染。此外，納米粒與介質(zhì)的不相容性導(dǎo)致界面出現(xiàn)空隙，存在相分離現(xiàn)象，這樣很難得到高性能的納米復(fù)合材料。為了解決這些技術(shù)問題，需要對納米粒的團聚和表面改性進行研究，從而有效地克服納米粒的應(yīng)用障礙。本書在系統(tǒng)介紹磁性納米粒制備方法的同時，還介紹了磁性納米粒的表面改性?！　”緯C述了磁性納米粒與磁性流體在應(yīng)用中的最新進展，側(cè)重于磁性納米粒與磁性流體在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)方面，由于磁性納米粒具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性、較好的靶向性、優(yōu)良的生物降解性等特點，被廣泛地應(yīng)用于磁控靶向藥物輸送、磁分離、固定化酶、磁熱療、磁共振造影成像等領(lǐng)域。在上述領(lǐng)域中，磁性納米材料的研究進展很快，有的磁性納米材料已經(jīng)產(chǎn)品化，進入了實際應(yīng)用階段；有的磁性納米材料已進入臨床研究階段；有更多的磁性納米材料正處于不同的試驗研究階段。隨著納米材料和納米生物材料的不斷出現(xiàn)和完善，相信在不久的將來磁性納米材料將會給人類帶來更多的驚喜，給生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來新的變革和快速的發(fā)展。從1993年起，本書的編著者對納米粒的合成與改性開展了初步的實驗研究。2002年筆者回國后，根據(jù)國內(nèi)外的科研動態(tài)，開展了有關(guān)納米材料的制備、表征與應(yīng)用的研究。2004年在煙臺召開的全國顆粒學(xué)會年會上，受到化學(xué)工業(yè)出版社的邀請，開始醞釀撰寫一部納米材料方面的書籍。由于受到導(dǎo)師郭慕孫院士和李洪鐘院士嚴謹作風(fēng)的影響及其長期的諄諄教誨，編者擬根據(jù)自己的科研工作來撰寫本書的核心部分。幾年來，本實驗室開展了多個相關(guān)領(lǐng)域的研究與開發(fā)，自2002年以來，發(fā)表論文近百篇，SCI收錄的論文逾40篇，授權(quán)的發(fā)明和實用新型專利各1項，一些制備的樣品已在一些單位試用，也與多個公司簽訂了合作生產(chǎn)的合同。本書系統(tǒng)介紹了磁性納米粒與磁性流體的制備、改性和表征，同時還介紹了磁性納米粒的表面改性和聚合物接枝全過程。為突出本書的實用性，本書除了理論工作的介紹以外，還詳細討論了制備磁性納米粒所需要的主要原料、輔助材料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝、環(huán)保生產(chǎn)與產(chǎn)品的實際應(yīng)用。希望本書對于提高我國在納米材料，特別是在磁性納米材料領(lǐng)域的教學(xué)、科研與生產(chǎn)方面能起到微薄作用。在相關(guān)工作的研究與開發(fā)過程中，本實驗室得到了國家自然科學(xué)基金（項目編號：20876100、20476065、20736004）、中國科學(xué)院過程工程研究所多相反應(yīng)與復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室、中國科學(xué)院煤炭化學(xué)研究所煤轉(zhuǎn)化國家重點實驗室、國家教委回國留學(xué)基金、江蘇省有機合成重點實驗室、蘇州大學(xué)211工程和南京醫(yī)科大學(xué)研發(fā)基金（NY0586）的資助；得到郭慕孫院士和李洪鐘院士的無私指導(dǎo)和熱情鼓勵；還得到了南京大展機電技術(shù)研究所（南京永研電子有限公司）、蘇州納泰納米材料有限公司、北京賽諾斯特科技發(fā)展有限公司、蘇州東方水處理有限責(zé)任公司、江蘇金山環(huán)保工程有限公司等企業(yè)的資助；蘇州大學(xué)第一附屬醫(yī)院、蘇州市立醫(yī)院（東區(qū)）和清華大學(xué)工程物理系給予了無償?shù)姆治鰷y試和生物試驗，美國哈佛大學(xué)的魏東光博士（當(dāng)時在CarlZeiss公司）為本課題組進行了不少樣品的電鏡測試，美國原IBM公司的丁劍敏博士與筆者進行了超過十年的合作并合作發(fā)表論文，在此一并表示感謝。蘇州大學(xué)物理系的李振亞教授曾經(jīng)建議筆者進行磁性流體領(lǐng)域的研究，狄國慶教授進行了VSM測試并建議筆者進行磁旋光領(lǐng)域的研究，在此表示衷心的感謝。本書共分7章。由洪若瑜主編。主要參編人員如下：陳莉莉、蔡旭第1章；李建華第2章；付紅平、潘婷婷第3章；任志強、韓燕平第4章；黃光平、蔣俊峰第5章；李建華、張世忠、曹雪第6章；劉國華、馮斌、屈晶苗第7章。毒理試驗由蘇州大學(xué)藥學(xué)院的高博完成，圖7?7由蘇州大學(xué)第一附屬醫(yī)院郭亮提供，其余的MRI圖由劉國華提供，所用MRI造影劑均由筆者課題組提供。書中的許多內(nèi)容取自本實驗室畢業(yè)學(xué)生的學(xué)位論文，在此對參與相關(guān)科研工作的其他學(xué)生表示感謝。本書試圖將科學(xué)性、科普性和應(yīng)用性寓于一體，并且面向從事或有興趣致力于納米科技研究或教學(xué)的教師、研究生、本科生、科研工作者和工程技術(shù)人員。有些章節(jié)也可作科普讀物。由于時間倉促，書中難免有不當(dāng)之處，敬請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　本書系統(tǒng)介紹了磁性納米粒與磁性流體的制備、改性、表征和應(yīng)用實例等。主要內(nèi)容有納米材料的性質(zhì)，磁性納米粒與磁性流體的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進展；三氯化鐵、硫酸亞鐵、硫酸鋅、氯化鋇等原料的制備與純化；磁性納米粒的制備和表面改性，磁性流體的制備；磁性納米粒和磁性流體的表征；磁性流體的動力學(xué)和熱力學(xué)特性；磁性納米粒和磁性流體在工業(yè)領(lǐng)域、生物技術(shù)和醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。本書內(nèi)容全面，結(jié)構(gòu)完整，可供從事納米材料研究、生產(chǎn)及其應(yīng)用開發(fā)的科技人員參考，也可作為有關(guān)材料專業(yè)師生的參考書。

書籍目錄

第1章 納米材料的基本概念11.1 納米材料的發(fā)展簡史11.2 納米材料的物理和化學(xué)性質(zhì)31.2.1 納米材料的物理性質(zhì)31.2.2 納米材料的化學(xué)性質(zhì)101.3 磁現(xiàn)象與磁性材料111.3.1 磁現(xiàn)象111.3.2 磁性材料141.4 磁性納米材料和磁性流體151.4.1 磁性納米粒研究及其應(yīng)用進展151.4.2 磁性納米晶材料研究及其應(yīng)用進展161.4.3 磁性納米結(jié)構(gòu)材料研究及其應(yīng)用進展171.4.4 磁性流體研究及其應(yīng)用進展18參考文獻20第2章 原料的處理222.1 FeCl3的制備與純化222.1.1 FeCl3的物理化學(xué)性質(zhì)及其用途222.1.2 FeCl3的制備與純化232.2 FeSO4的制備與純化292.2.1 FeSO4的物理化學(xué)性質(zhì)及其用途292.2.2 FeSO4的制備與純化302.3 ZnSO4?7H2O的制備與純化332.3.1 從廢鋅鐵合金中制備硫酸鋅332.3.2 從含鋅廢液中制備硫酸鋅342.4 BaCl2的制備與純化352.4.1 離子交換法352.4.2 鹽酸浸取法362.5 其它原料的制備與純化38參考文獻39第3章 磁性納米粒和磁性流體的制備413.1 磁性納米粒的制備413.1.1 化學(xué)沉淀法413.1.2 熱解法453.1.3 水熱法453.1.4 溶膠?凝膠法493.1.5 微乳液法513.1.6 相轉(zhuǎn)移法533.1.7 外加場法543.1.8 自蔓延高溫燃燒法583.1.9 介質(zhì)分散法623.2 納米粒的表面改性643.2.1 物理化學(xué)原理643.2.2 液相改性653.2.3 氣固流態(tài)化改性693.3 磁性流體的制備713.3.1 高能球磨法713.3.2 表面活性劑法713.3.3 表面接枝法723.3.4 微乳液法743.3.5 真空蒸發(fā)分解法753.3.6 火花電蝕法753.3.7 電解沉積法753.3.8 等離子體法763.3.9 氣相液相反應(yīng)法763.4 制備與改性過程的研究763.4.1 產(chǎn)品純度的控制763.4.2 產(chǎn)品粒度的控制793.4.3 反應(yīng)動力學(xué)的研究853.4.4 無機包覆中成膜與成核的競爭87參考文獻87第4章 磁性納米粒和磁性流體的表征954.1 磁性納米粒的表征954.1.1 電鏡觀察法954.1.2 電子能量損失譜994.1.3 X射線衍射1004.1.4 比表面積法1054.1.5 拉曼光譜1074.1.6 紅外光譜1094.1.7 穆森堡爾譜1144.1.8 磁特性測定－－振動樣品磁強計1174.1.9 元素測定1194.1.10 俄歇電子能譜儀1214.2 磁性流體的表征1234.2.1 流變測定1234.2.2 表面張力測定1274.2.3 沉降測定1304.2.4 激光粒度散射1354.2.5 原子力顯微鏡1374.2.6 穩(wěn)定性測定1404.2.7 古埃磁天平142參考文獻146第5章 磁性流體的動力學(xué)和熱力學(xué)特性1495.1 基本概念1495.1.1 流體運動的分類1495.1.2 描述流體運動的主要方法1495.1.3 流體力學(xué)基本概念1495.1.4 流體力學(xué)基本方程1505.2 穩(wěn)定機制1515.3 靜力學(xué)和伯努利方程1515.3.1 靜力學(xué)1515.3.2 伯努利方程1525.4 分子模擬預(yù)測磁流變特性1535.4.1 蒙特卡洛方法1545.4.2 格子Boltzmann方法1555.5 動力學(xué)基本方程及其求解1555.5.1 基本方程1575.5.2 本構(gòu)方程1585.5.3 數(shù)值模擬基礎(chǔ)1615.6 兩相流和自由界面流動1625.6.1 兩相流1625.6.2 磁性流體解析模型基本方程1635.6.3 自由界面流動1655.7 磁性流體的宏觀動力學(xué)模擬1705.7.1 磁性流體?水兩相流動的實驗和模擬研究1705.7.2 磁性流體液滴形成的實驗和模擬研究1735.8 傳熱特性的分子模擬1795.8.1 分子動力學(xué)方法1805.8.2 LatticeBoltzmann方法181參考文獻182第6章 磁性納米粒和磁性流體在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用1866.1 磁性作用力的應(yīng)用1866.1.1 磁性流體密封1866.1.2 磁流研磨1896.1.3 磁粉探傷1916.1.4 磁性流體潤滑1926.1.5 磁性流體陀螺1946.1.6 磁性流體揚聲器1956.2 磁感應(yīng)懸浮力的應(yīng)用1966.2.1 化合物提取1966.2.2 磁浮選1966.2.3 磁開關(guān)1996.3 磁流變液運動阻尼的應(yīng)用2006.3.1 磁流變阻尼2016.3.2 磁流變減振2026.3.3 磁流變液制動2036.4 磁性涂料與屏蔽性能2046.4.1 磁性納米隱身材料2046.4.2 磁性納米材料的隱身機理2056.4.3 納米鐵氧體的吸波特性2056.4.4 納米鐵氧體在隱身涂料中的應(yīng)用2066.5 光催化劑的磁分離2076.6 磁光效應(yīng)材料2086.6.1 概述2086.6.2 應(yīng)用2086.6.3 磁光效應(yīng)材料的發(fā)展前景212參考文獻212第7章 磁性納米粒和磁性流體在生物技術(shù)和醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用2167.1 磁共振成像2167.1.1 超順磁性氧化鐵顆粒的一般性質(zhì)2177.1.2 超順磁性氧化鐵的生物學(xué)特性2177.1.3 超順磁性氧化鐵對比劑的增強原理2227.1.4 超順磁性氧化鐵在肝臟磁共振成像中的臨床應(yīng)用2237.1.5 超順磁性氧化鐵的毒副作用2247.2 磁分離2257.2.1 核酸的純化2257.2.2 蛋白質(zhì)的分離2277.2.3 細胞的分離2287.3 固定化酶2307.4 藥物傳輸2317.5 磁熱療2327.5.1 磁熱療的分類2337.5.2 磁性流體發(fā)熱機制2337.5.3 熱療的生物學(xué)機制2357.5.4 磁熱療的應(yīng)用2357.6 生物檢測2367.7 靶向藥物2377.8 組織修復(fù)2387.9 磁感染2387.10 展望239參考文獻240

章節(jié)摘錄

　　第1章　納米材料的基本概念　　1.1　納米材料的發(fā)展簡史　　納米是一個度量單位，1納米（nm）等于10—9m，即百萬分之一毫米、十億分之一米。Inm相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的十萬分之一?！　H上將處于1～100nm尺度范圍內(nèi)的超微顆粒及其致密的聚集體，以及由納米粒所構(gòu)成的具有納米特性的材料，統(tǒng)稱為納米材料，包括金屬、非金屬、有機、無機和生物等多種粉末材料。從材料的維度上可區(qū)分為：零維的原子團簇（幾十個原子的聚集體）和納米微粒、一維調(diào)制的納米線、二維調(diào)制的納米微粒膜（涂層）以及三維調(diào)制的納米相材料。簡單地說，納米材料是指用晶粒尺寸為納米級的微小顆粒制成的各種材料，其大小應(yīng)不超過100nm，通常情況下應(yīng)不超過10nm?！　〖{米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個熱點，納米材料是納米技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，其相應(yīng)發(fā)展起來的納米技術(shù)被公認為是21世紀最具有前途的科研領(lǐng)域?！　〗?jīng)過不斷的發(fā)展，納米材料的合成方法日益增多，不同的合成方法對納米材料的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響，并直接影響納米材料的性能。關(guān)于制備方法和性能之間的關(guān)系我們將在后面的章節(jié)進行更為詳細的討論。　　最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問題的是著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者Feyneman，他在20世紀60年代曾預(yù)言：如果人類能夠在原子／分子的尺度上加工材料、制備器件，我們將有許多激動人心的新發(fā)現(xiàn)。他指出，我們需要新型的微型化儀器來操縱納米結(jié)構(gòu)并測定其性質(zhì)。到那時，化學(xué)將變成根據(jù)人們的意愿逐個地準確放置原子的問題。

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