一種碳包覆四氧化三鐵磁性微球的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳包覆四氧化三鐵磁性微球的制備方法，是針對三氧化二鐵、碳材料的特性，先制備碳包覆三氧化二鐵微球，然后進行微波加熱高溫煅燒，制得碳包覆四氧化三鐵磁性微球，此制備方法工藝嚴密、先進合理，數(shù)據(jù)翔實精確，產(chǎn)物形貌好，為灰黑色粉體顆粒、粉體顆粒直徑≤1μm，四氧化三鐵磁性微球表面有一層碳包覆層，可防止在應用過程中顆粒之間出現(xiàn)互相吸引導致聚沉，產(chǎn)物磁性明顯，純度高達99%，產(chǎn)收率高達97.5%，是十分理想的碳包覆四氧化三鐵磁性微球的制備方法，其產(chǎn)物可在醫(yī)藥、生物工程及多種工業(yè)領(lǐng)域應用。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種碳包覆四氧化三鐵磁性微球的制備方法，屬碳材料包覆制備及應 用的【技術(shù)領(lǐng)域】。 一種碳包覆四氧化三鐵磁性微球的制備方法

【背景技術(shù)】
[0002] 四氧化三鐵磁性納米粒子具有特殊的理化性質(zhì)，顆粒粒徑小、比表面積高，四氧化 三鐵磁性納米粒子在外加磁場下容易被操作，這種非接觸式操作為許多應用提供了巨大的 優(yōu)勢；隨著材料化學與生物醫(yī)學日益深入的結(jié)合，四氧化三鐵磁性材料逐漸在生物、醫(yī)藥領(lǐng) 域得到應用，例如細胞標記與分離、磁共振成影、藥物載體、磁熱療方面顯示廣泛的應用前 旦 -5^ 〇
[0003] 然而，四氧化三鐵磁性納米粒子在分散液中不穩(wěn)定，在重力場作用下，容易發(fā)生聚 集、甚至沉淀，在磁性納米粒子的實際應用中，必須先對其進行表面改性，提高磁性納米粒 子在其基液中的分散穩(wěn)定性；通常在納米顆粒表面包裹一層保護層，形成核殼結(jié)構(gòu)，將磁性 核與外界環(huán)境隔絕，保護層分為有機層和無機層，有機層包括表面活性劑、聚合物，無機層 包括二氧化硅、貴金屬和金屬氧化物；但是，磁性納米粒子改性穩(wěn)定方面仍存在不足，例如 采用表面活性劑穩(wěn)定的納米粒子，由于表面活性劑層不致密、不耐高溫，因此造成磁性納米 粒子在空氣中不穩(wěn)定，在酸性溶液中易溶解，從而導致磁性減弱與消失；如果采用二氧化硅 包覆的納米粒子，由于二氧化硅在堿性條件下不穩(wěn)定，是多孔結(jié)構(gòu)，無法阻止金屬核與空氣 接觸。
[0004] 碳材料是理想的包覆材料，由于碳在物理和化學環(huán)境中的酸和堿介質(zhì)中、在高溫 高壓下很穩(wěn)定，還可抑制氧化，阻止顆粒間相互團聚，還可改變磁性納米粒子表面的化學性 質(zhì)，使其很容易實現(xiàn)功能化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的
[0006] 本發(fā)明的目的是針對【背景技術(shù)】狀況，以葡萄糖為碳源、三氧化二鐵作為鐵源，采用 水熱合成法，實現(xiàn)碳對三氧化二鐵的包覆，經(jīng)過微波煅燒，得到碳包覆四氧化三鐵磁性微 球，使碳包覆四氧化三鐵磁性微球成為可能，以擴大應用范圍。
[0007] 技術(shù)方案
[0008] 本發(fā)明使用的化學物質(zhì)材料為：葡萄糖、三氧化二鐵、去離子水、氬氣，其準備用量 如下：以克、毫升、厘米 3為計量單位
[0009] 三氧化二鐵：Fe203 lgiO.Olg 葡萄糖：C6H1206.H20 12g±0.01g -上-離-水：H，0 1000 niL ± 10 mL ?氣：Ar 100000 cm ? ± 100 cm3
[0010] 制備方法如下：
[0011] (1)配制葡萄糖水溶液
[0012] 稱取葡萄糖12g±0. Olg，量取去離子水300mL±lmL，加入燒杯中，攪拌溶解 lOmin，成0· 20mol/L的葡萄糖水溶液；
[0013] (2)水熱合成、制備碳包覆三氧化二鐵微球
[0014] 碳包覆三氧化二鐵的制備是在加熱爐、反應釜內(nèi)進行的，是在加熱、水熱合成狀態(tài) 下完成的；
[0015] ①配制溶液
[0016] 將葡萄糖水溶液50mL±0. OlmL、三氧化二鐵lg±0. Olg加入聚四氟乙烯容器中， 邊加入邊攪拌，時間l〇min，成混合溶液；
[0017] ②超聲分散
[0018] 將盛有混合溶液的聚四氟乙烯容器置于超聲波分散儀中，進行超聲分散，超聲波 頻率40kHz，時間10min ;
[0019] ③水熱合成
[0020] 將超聲分散后的聚四氟乙烯容器及其內(nèi)的混合溶液，置于反應釜中，然后置于加 熱爐中，并密閉；
[0021] 開啟加熱爐，加熱溫度180°c ±2°C，加熱時間240min ;
[0022] 葡萄糖水溶液、三氧化二鐵在水熱合成過程中將發(fā)生化學反應，反應式如下：
[0023] Fe，(>; + C6HpO()*H.O c士 2Fe，0制C - " 240 min
[0024] 式中：
[0025] Fe203@C :碳包覆三氧化二鐵微球
[0026] ④冷卻
[0027] 水熱合成后，停止加熱，隨爐冷卻至25 °C ;
[0028] ⑤離心分離
[0029] 開啟反應釜，開啟聚四氟乙烯容器，將容器內(nèi)的混合溶液移至離心管內(nèi)，進行離心 分離，離心分離轉(zhuǎn)速8000r/min，離心分離時間30min ;
[0030] 離心分離后，保存沉淀物，棄掉上清液；
[0031] ⑥去離子水洗滌，離心分離
[0032] 將盛有沉淀物的離心管內(nèi)加入去離子水30mL，進行離心分離洗滌，離心分離轉(zhuǎn)速 8000r/min，離心分離時間20min，分離后留存沉淀物，棄掉上層液；
[0033] 去離子水洗滌、離心分離重復進行三次；
[0034] ⑦真空干燥
[0035] 將洗滌、離心分離后的沉淀物置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥 溫度50°C，真空度10Pa，干燥時間480min，干燥后為碳包覆三氧化二鐵微球；
[0036] (3)微波加熱煅燒、制備碳包覆四氧化三鐵磁性微球
[0037] 碳包覆四氧化三鐵磁性微球的制備是在微波加熱管式煅燒爐內(nèi)進行的，是在微波 加熱、氬氣保護下完成的；
[0038] ①稱取碳包覆三氧化二鐵微球0.2g，平鋪在石英容器中，然后將石英容器置于微 波加熱管式煅燒爐內(nèi)的石英管中間部位；
[0039] ②堵塞石英管兩端，使其密封；
[0040] ③接通氬氣管，開啟氬氣閥、氬氣瓶，向石英管內(nèi)輸入氬氣，氬氣輸入速度200cm3/ min,驅(qū)除石英管內(nèi)空氣，時間20min ;
[0041] 同時開啟出氣管閥；
[0042] ④開啟微波加熱管式高溫爐加熱器，使石英管內(nèi)溫度升至500°C ±2°C，恒溫保溫 120min ;碳包覆三氧化二鐵在微波加熱煅燒過程中生成碳包覆四氧化三鐵磁性微球，反應 式如下：
[0043] " ,、，500°C± 2°a .., ,^ i FC2_C Ατ/120π?Λ ^:5〇4β〇+ 〇2Τ
[0044] 式中：
[0045] Fe304@C :碳包覆四氧化三鐵磁性微球
[0046] 02 :氧氣
[0047] ⑤關(guān)閉微波加熱管式煅燒爐，停止加熱；關(guān)閉氬氣閥，停止輸氬氣；
[0048] ⑥取出石英容器，收集碳包覆四氧化三鐵磁性微球產(chǎn)物；
[0049] ⑦研磨、過篩，細化處理碳包覆四氧化三鐵磁性微球；
[0050] 將碳包覆四氧化三鐵微球用瑪瑙研缽、研棒進行研磨，用650目篩網(wǎng)過篩，研磨、 過篩重復進行，成碳包覆四氧化三鐵磁性微球細粉；
[0051] (4)檢測、分析、表征
[0052] 對制備的碳包覆四氧化三鐵磁性微球的色澤、形貌、結(jié)構(gòu)、成分、化學物理性能、磁 性性能進行檢測、分析、表征；
[0053] 用透射電子顯微鏡進行形貌分析；
[0054] 結(jié)論：碳包覆四氧化三鐵磁性微球為黑色粉體顆粒，顆粒直徑為< 1 μ m，磁性特 征明顯；
[0055] (5)產(chǎn)物儲存
[0056] 對制備的碳包覆四氧化三鐵磁性微球儲存于棕色透明的玻璃容器中，密閉避光保 存，要防曬、防潮、防酸堿鹽侵蝕，儲存溫度20°C，相對濕度< 10%。
[0057] 有益效果
[0058] 本發(fā)明與【背景技術(shù)】相比具有明顯的先進性，是針對三氧化二鐵、碳材料的特性，先 制備碳包覆三氧化二鐵微球，然后進行微波加熱高溫煅燒處理，得到碳包覆四氧化三鐵磁 性微球，此制備方法工藝嚴密、先進合理，數(shù)據(jù)翔實精確，產(chǎn)物形貌好，為灰黑色粉體顆粒、 粉體顆粒直徑< 1 μ m，四氧化三鐵磁性微球表面有一層碳包覆層，可防止在應用過程中顆 粒之間出現(xiàn)互相吸引導致聚沉，產(chǎn)物磁性明顯，產(chǎn)物純度高，達99 %，產(chǎn)收率高，達97. 5 %， 是十分理想的制備碳包覆四氧化三鐵磁性微球的方法，其產(chǎn)物可在醫(yī)藥、生物工程及多種 工業(yè)領(lǐng)域應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0059] 圖1為碳包覆三氧化二鐵微球制備狀態(tài)圖
[0060] 圖2為碳包覆四氧化三鐵磁性微球制備狀態(tài)圖
[0061] 圖3為碳包覆四氧化三鐵磁性微球的透射電鏡形貌圖
[0062] 圖4為碳包覆四氧化三鐵磁性微球的水懸浮液在磁鐵作用前后的圖片
[0063] 圖中所示，附圖標記清單如下：
[0064] 1、加熱爐，2、爐蓋，3、電控箱，4、工作臺，5、反應釜，6、聚四氟乙烯容器，7、混合溶 液，8、顯示屏，9、指示燈，10、電源開關(guān)，11、加熱溫度控制器，12、加熱時間控制器，13、爐腔， 14、 釜蓋，15、微波爐電控箱，16、微波爐顯示屏，17、微波爐指示燈，18、微波爐開關(guān)，19、微波 加熱溫度控制器，20、微波加熱時間控制器，21、微波加熱管式煅燒爐，22、微波加熱發(fā)生器， 23、道軌，24、石英管，25、第一堵塞，26、第二堵塞，27、進氣管，28、出氣管，29、氬氣瓶，30、氬 氣管，31、氬氣閥，32、石英容器，33、碳包覆四氧化三鐵磁性微球，34、氬氣。

【具體實施方式】
[0065] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明：
[0066] 圖1所示，碳包覆三氧化二鐵微球制備狀態(tài)圖，各部位置、連接關(guān)系要正確，按量 配比，按序操作。
[0067] 制備使用的化學物質(zhì)的量值是按照預先設(shè)置的范圍確定的，以克、毫升、厘米3為 計量單位。
[0068] 碳包覆三氧化二鐵微球的的水熱合成是在加熱爐、反應釜內(nèi)進行的，是在加熱狀 態(tài)下完成的；加熱爐為堅式，加熱爐1的上部為爐蓋2、下部為電控箱3,在加熱爐1內(nèi)為爐 腔13,在爐腔13底部為工作臺4,在工作臺4上放置反應釜5,反應釜5內(nèi)放置聚四氟乙烯 容器6,聚四氟乙烯容器6內(nèi)為混合溶液7,反應釜5由釜蓋14密閉；在電控箱3上設(shè)置顯 示屏8、指示燈9、電源開關(guān)10、加熱溫度控制器11、加熱時間控制器12。
[0069] 圖2所示，為碳包覆四氧化三鐵磁性微球制備狀態(tài)圖，各部位置、連接關(guān)系要正 確，按量配比，按序操作。
[0070] 微波加熱煅燒制備碳包覆四氧化三鐵磁性微球是在微波加熱管式煅燒爐內(nèi)進行 的，是在微波加熱、氬氣保護下完成的；
[0071] 微波加熱管式煅燒爐為臥式，在微波加熱管式煅燒爐21的下部為微波爐電控箱 15, 在微波爐電控箱15上設(shè)有微波爐顯示屏16、微波爐指示燈17、微波爐開關(guān)18、微波加熱 溫度控制器19、微波加熱時間控制器20 ;微波加熱管式煅燒爐21內(nèi)底部設(shè)有道軌23、內(nèi)上 部設(shè)有微波加熱發(fā)生器22,在道軌23上設(shè)置石英管24 ;在石英管24的左部設(shè)置第一堵塞 25、右部設(shè)置第二堵塞26,在石英管24內(nèi)底部置放石英容器32,在石英容器32內(nèi)為碳包覆 四氧化三鐵磁性微球33 ;在微波爐電控箱15左部設(shè)有氬氣瓶29,在氬氣瓶29上部設(shè)有氬 氣管30、氬氣閥31，并聯(lián)通上部的進氣管27,進氣管27穿過第一堵塞25向石英管24內(nèi)輸 入氬氣34 ;在第二堵塞26內(nèi)設(shè)有出氣管28,石英管24內(nèi)的氣體由出氣管28排出。
[0072] 圖3所示，為碳包覆四氧化三鐵磁性微球形貌圖，圖中所示，產(chǎn)物為核殼結(jié)構(gòu)，磁 性納米粒子外部包覆碳層，微球粒徑< 1 μ m。
[0073] 圖4所示，為碳包覆四氧化三鐵磁性微球的水懸浮液在磁鐵作用前后的圖片，圖 中可以看出，微球在磁鐵的作用下迅速向磁鐵一方移動，說明其磁性特征明顯。
【權(quán)利要求】
1. 一種碳包覆四氧化三鐵磁性微球的制備方法，其特征在于：使用的化學物質(zhì)材料 為：葡萄糖、三氧化二鐵、去離子水、氬氣，其準備用量如下：以克、毫升、厘米 3為計量單位 三氧化二鐵：Fe2〇3 lgiO.Olg 葡萄糖：C6H1206.H 20 12g±0. 01 g 去罔-水：H20 1000 mL ± 10 mL 氬氣：Ar 100000 cm 5 ±100 cm3 制備方法如下： (1) 配制葡萄糖水溶液 稱取葡萄糖12g±0. Olg，量取去離子水300mL± lmL，加入燒杯中，攪拌溶解lOmin，成 0· 20mol/L的葡萄糖水溶液； (2) 水熱合成、制備碳包覆三氧化二鐵微球 碳包覆三氧化二鐵的制備是在加熱爐、反應釜內(nèi)進行的，是在加熱、水熱合成狀態(tài)下完 成的； ① 配制溶液 將葡萄糖水溶液50mL±0. OlmL、三氧化二鐵lg±0. 01g加入聚四氟乙烯容器中，邊加 入邊攪拌，時間l〇min，成混合溶液； ② 超聲分散 將盛有混合溶液的聚四氟乙烯容器置于超聲波分散儀中，進行超聲分散，超聲波頻率 40kHz，時間 10min ; ③ 水熱合成 將超聲分散后的聚四氟乙烯容器及其內(nèi)的混合溶液，置于反應釜中，然后置于加熱爐 中，并密閉； 開啟加熱爐，加熱溫度180°C ±2°C，加熱時間240min ; 葡萄糖水溶液、三氧化二鐵在水熱合成過程中將發(fā)生化學反應，反應式如下： + C6H i，06· Η，0 180 C± 2 C>· Fc,〇i(irC … 2.40 min 式中： Fe203@C :碳包覆三氧化二鐵微球 ④ 冷卻 水熱合成后，停止加熱，隨爐冷卻至25°C ; ⑤ 離心分離 開啟反應釜，開啟聚四氟乙烯容器，將容器內(nèi)的混合溶液移至離心管內(nèi)，進行離心分 離，離心分離轉(zhuǎn)速8000r/min，離心分離時間30min ; 離心分離后，保存沉淀物，棄掉上清液； ⑥ 去離子水洗滌，離心分離 將盛有沉淀物的離心管內(nèi)加入去離子水30mL，進行離心分離洗滌，離心分離轉(zhuǎn)速 8000r/min，離心分離時間20min，分離后留存沉淀物，棄掉上層液； 去離子水洗滌、離心分離重復進行三次； ⑦真空干燥 將洗滌、離心分離后的沉淀物置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥溫度 50°C，真空度lOPa，干燥時間480min，干燥后為碳包覆三氧化二鐵微球； (3)微波加熱煅燒、制備碳包覆四氧化三鐵磁性微球 碳包覆四氧化三鐵磁性微球的制備是在微波加熱管式高溫爐內(nèi)進行的，是在微波加 熱、氬氣保護下完成的； ① 稱取碳包覆三氧化二鐵微球〇. 2g，平鋪在石英容器中，然后將石英容器置于微波加 熱管式煅燒爐內(nèi)的石英管中間部位； ② 堵塞石英管兩端，使其密封； ③ 接通氬氣管，開啟氬氣閥、氬氣瓶，向石英管內(nèi)輸入氬氣，氬氣輸入速度200cm3/min， 驅(qū)除石英管內(nèi)空氣，時間20min ; 同時開啟出氣管閥； ④ 開啟微波加熱管式高溫爐加熱器，使石英管內(nèi)溫度升至500°C ±2°C，恒溫保溫 120min ;碳包覆三氧化二鐵在微波加熱煅燒過程中生成碳包覆四氧化三鐵磁性微球，反應 式如下： " …500°C± 2°α a 4 Fe2()旭C Ar/120mi，&0*〔,+ 〇" 式中： Fe304@C :碳包覆四氧化三鐵磁性微球 〇2 :氧氣 ⑤ 關(guān)閉微波加熱管式煅燒爐，停止加熱；關(guān)閉氬氣閥，停止輸氬氣； ⑥ 取出石英容器，收集碳包覆四氧化三鐵磁性微球產(chǎn)物； ⑦ 研磨、過篩，細化處理碳包覆四氧化三鐵磁性微球； 將碳包覆四氧化三鐵微球用瑪瑙研缽、研棒進行研磨，用650目篩網(wǎng)過篩，研磨、過篩 重復進行，成碳包覆四氧化三鐵磁性微球細粉； ⑷檢測、分析、表征 對制備的碳包覆四氧化三鐵磁性微球的色澤、形貌、結(jié)構(gòu)、成分、化學物理性能、磁性性 能進行檢測、分析、表征； 用透射電子顯微鏡進行形貌分析； 結(jié)論：碳包覆四氧化三鐵磁性微球為黑色粉體顆粒，顆粒直徑為< lym，磁性特征明 顯； (5)產(chǎn)物儲存 對制備的碳包覆四氧化三鐵磁性微球儲存于棕色透明的玻璃容器中，密閉避光保存， 要防曬、防潮、防酸堿鹽侵蝕，儲存溫度20°C，相對濕度< 10%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳包覆四氧化三鐵磁性微球的制備方法，其特征在于： 碳包覆三氧化二鐵微球的的水熱合成是在加熱爐、反應釜內(nèi)進行的，是在加熱狀態(tài)下 完成的；加熱爐為堅式，加熱爐（1)的上部為爐蓋（2)、下部為電控箱（3)，在加熱爐（1)內(nèi) 為爐腔（13)，在爐腔（13)底部為工作臺（4)，在工作臺（4)上放置反應釜（5)，反應釜（5)內(nèi) 放置聚四氟乙烯容器（6)，聚四氟乙烯容器（6)內(nèi)為混合溶液（7)，反應釜（5)由釜蓋（14) 密閉；在電控箱⑶上設(shè)置顯示屏（8)、指示燈（9)、電源開關(guān)（10)、加熱溫度控制器（11)、 加熱時間控制器（12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳包覆四氧化三鐵磁性微球的制備方法，其特征在于： 微波加熱煅燒制備碳包覆四氧化三鐵磁性微球是在微波加熱管式煅燒爐內(nèi)進行的，是在微 波加熱、氬氣保護下完成的； 微波加熱管式煅燒爐為臥式，在微波加熱管式煅燒爐（21)的下部為微波爐電控箱 (15)，在微波爐電控箱（15)上設(shè)有微波爐顯示屏（16)、微波爐指示燈（17)、微波爐開關(guān) (18)、微波加熱溫度控制器（19)、微波加熱時間控制器（20);微波加熱管式煅燒爐（21)內(nèi) 底部設(shè)有道軌（23)、內(nèi)上部設(shè)有微波加熱發(fā)生器（22)，在道軌（23)上設(shè)置石英管（24);在 石英管（24)的左部設(shè)置第一堵塞（25)、右部設(shè)置第二堵塞（26)，在石英管（24)內(nèi)底部置 放石英容器（32)，在石英容器（32)內(nèi)為碳包覆四氧化三鐵磁性微球（33);在微波爐電控箱 (15)左部設(shè)有氬氣瓶（29)，在氬氣瓶（29)上部設(shè)有氬氣管（30)、氬氣閥（31)，并聯(lián)通上部 的進氣管（27)，進氣管（27)穿過第一堵塞（25)向石英管（24)內(nèi)輸入氬氣（34);在第二堵 塞（26)內(nèi)設(shè)有出氣管（28)，石英管（24)內(nèi)的氣體由出氣管（28)排出。
【文檔編號】H01F1/36GK104117329SQ201410346354
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】劉旭光, 陳琳, 楊永珍, 李龍飛, 許并社 申請人:太原理工大學