一种磁性异质结构纤维及其制备方法与应用技术

本发明专利技术是磁性异质结构纤维及其制备方法与应用。该纤维为多孔异质结构纤维，其内核为纳米晶组装而成的Fe3O4，表面包覆有Ni纳米晶；纤维长0.57～2.18μm，直径0.07～0.73μm，镍/铁原子比为0:100～28.88:71.12，其饱和磁化强度高(75.243～86.442emu·g-1)。该纤维采用沉淀法-沉淀转移法-碳热还原工艺制备，本发明专利技术操作简单，可控性和重复性好、形成机理新颖、对设备的要求不高、成本低、效率高、易于工业应用推广。所得磁性异质结构纤维具有多孔结构，尺寸和组成可调，磁响应性强等特性，其在催化剂、电极材料、磁记录材料、磁传感器、检测、微波吸收等领域都有重要的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性异质结构纤维及其制备方法与应用
本专利技术属于纳米电磁复合材料的制备
，具体地说，涉及一种Fe3O4/Ni异质多孔纤维电磁复合材料的制备方法。
技术介绍
Fe3O4是一种重要的磁性氧化物，被广泛应用于微波吸收领域。但其介电常数低，匹配与吸收特性差，难以满足“薄、轻、宽、强”吸波涂层材料的高要求。目前，人们采用复合技术制备了：①磁损耗吸波剂与介电损耗材料复合(如，碳包覆FeO微球[详见专利CN201310259969.6]；同轴电缆结构MWCNT/Fe3O4/ZnO/PANI微波吸收剂[详见专利CN201310078376.X]；聚吡咯/Fe3O4/凹凸棒石纳米电磁复合材料[详见专利CN201010018208.8])；②磁损耗吸波剂与磁损耗吸波剂复合(如，纳米Fe3O4-SrFe12O19复合吸波材料[详见CN201210293912.3])。磁性Fe3O4与非磁性的介电损耗材料复合，尽管可以提高介电损耗，但磁损耗吸波剂的质量分数的降低导致磁损耗下降。另外，SrFe12O19也是一种低介电常数的吸波剂，将其与Fe3O4不能改善介电性能。为此，我们提出将低介电常数、高饱和磁化的Fe3O4与高介电常数的磁性Ni复合制备多孔异质结构纤维，这是考虑到：一方面利用磁性金属Ni的高电导和饱和磁化特性，可改善Fe3O4的阻抗匹配与吸收特性，另一方面，利用多孔纤维的高比表面积、高形状各向异性可增强Fe3O4的介电特性。据文献检索发现，相关工作尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种具有高的介电常数和较强的磁响应性，以及组成和尺寸可调等特性的Fe3O4/Ni异质多孔纤维；还提供工艺简单、条件温和、环保、节能的制备复合材料的沉淀转移法；所提供的Fe3O4/Ni异质多孔纤维将在微波吸收、催化等领域将具有广阔的应用前景。本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案：本专利技术提供的磁性异质结构纤维，其内核为纳米晶组装而成的Fe3O4，表面包覆有Ni纳米晶；该纤维为多晶多孔结构，长为0.57μm～2.18μm，直径为0.07μm～0.73μm。所述的Fe3O4和Ni，镍/铁原子比为0:100～28.88:71.12。所述的磁性异质结构纤维，其饱和磁化强度范围为：75.243～86.442emu·g-1。本专利技术提供的上述磁性异质结构纤维，其制备方法包括以下步骤：(1)纤维状草酸亚铁前驱物的制备：采用沉淀法，先将硫酸亚铁铵、表面活性剂、乙二醇、蒸馏水按一定的化学计量配制成溶液A，其用量关系为：乙二醇/水的体积比为2/5～5/2，铁盐的浓度为0.071～0.714mol/L，表面活性剂的浓度为0～0.143mol/L；再将表面活性剂、乙二醇、蒸馏水和沉淀剂按一定的比例配制成溶液B，其用量关系为：乙二醇/水的体积比为2/5～5/2，铁盐的浓度为0.071～0.714mol/L，表面活性剂的浓度为0～0.143mol/L，沉淀剂与硫酸亚铁铵物质的量之比为1:1～2:1，然后将溶液B与溶液A转入到烧杯中，在室温下磁力搅拌反应20min～24h后，用水和乙醇洗涤，60℃干燥6h得到所需纤维状草酸亚铁前驱物；(2)纤维状草酸亚铁/草酸镍前驱物的制备：采用沉淀转移法，按一定的化学计量比将草酸亚铁前驱物、镍盐、蒸馏水添加到烧杯中，在25～60℃反应1h，冷却后用水离心洗涤，60℃干燥6h得到所需的单分散草酸亚铁/草酸镍前驱物；草酸亚铁前驱物、镍盐、蒸馏水的用量关系为：水的体积为40mL，草酸亚铁前驱物的质量为0.1～0.3g，镍盐的浓度为0.036～0.286mol/L；(3)Fe3O4/Ni异质多孔纤维：采用碳热还原法，将草酸亚铁/草酸镍前驱物用陶瓷方舟装载放到单温管式炉中，在惰性气体保护下300～700℃保温1～3h，冷却到室温，研磨后得到所述的磁性异质结构纤维即Fe3O4/Ni异质多孔纤维；气体流量为1～5L/min，升温时间为1～2h，惰性气体为N2，Ar中的一种或多种。所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠、二-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠或十六烷基三甲基溴化铵。所述的沉淀剂为可溶性草酸氨、草酸或草酸钠。所述的有机溶剂为乙二醇、丙三醇、1-2-丙二醇或一缩二已二醇。所述的镍盐为氯盐、硝酸盐、硫酸盐中的一种，或多种。上述方法步骤(2)中，根据草酸盐的溶度积特性，将高溶度积的草酸亚铁分散到镍盐溶液中，低溶度积的草酸镍破坏了草酸铁的溶解-结晶平衡，产生的草酸根与镍离子在原草酸铁表面形成低溶度积的草酸镍。本专利技术制备的Fe3O4/Ni异质多孔纤维，其在催化剂、电极材料、磁记录材料、磁传感器、检测、微波吸收中的应用。本专利技术由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：(1)本方法制备的磁性异质结构纤维形成机理独特，易于工业应用推广。(2)本方法制备的磁性异质结构纤维的尺寸和组成可控，尺寸范围更广(长为0.57μm～2.18μm，直径为0.07μm～0.73μm)，粒子分散性更好。(3)本方法所用原料廉价易得，制备成本低，效率高。(4)本方法制备过程操作简单，重复性好。(5)应用广：所提供的铁基纳米片在催化剂、水处理、磁记录材料、电极材料、传感器以及微波吸收与屏蔽等领域具有广阔的应用前景。总之，本专利技术操作简单，可控性和重复性好、形成机理新颖、对设备的要求不高、成本低、效率高、易于工业应用推广。所得磁性异质结构纤维具有多孔结构，尺寸和组成可调，磁响应性强等特性，其在催化剂、电极材料、磁记录材料、磁传感器、检测、微波吸收等领域都有重要的应用前景。附图说明图1～图3分别为实施例1中所得产物在扫描电镜下观测到的形貌、XRD相结构图谱和红外图谱。图4～图13分别为实施例2～11所得产物的在扫描电镜下观测到的形貌。图14～图17分别为实施例12所得产物的在扫描和透射电镜下观测到的形貌、XRD相结构图谱和静磁性能。图18～图19分别为实施例13所得产物的在扫描电镜下观测到的形貌和元素组成分析。图20～图24分别为实施例14-18所得产物的在扫描电镜下观测到的形貌。图25～图26分别为实施例18所得产物的XRD相结构图谱和静磁性能。图27～图28分别为实施例19-20所得产物的在扫描电镜下观测到的形貌。具体实施方式在本专利技术中，我们采用草酸盐沉淀-沉淀转移-烧结工艺，通过改变温度、时间、浓度和表面活性剂来调控多孔异质纤维的尺寸与组成。下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1：先将2mmol硫酸亚铁铵、1mmol十二烷基硫酸钠、10mL乙二醇、4mL蒸馏水配制成溶液A。再将1mmol十二烷基硫酸钠、10mL乙二醇、4mL蒸馏水和2.2mmol草酸铵配制成溶液B。将溶液A和溶液B分别溶解30min，然后将溶液B与溶液A转入到100mL烧杯中，在室温下磁力搅拌反应1h后，用水和乙醇离心洗涤六次，60℃干燥6h得到所需纤维状草酸亚铁前驱物。在扫描电镜下观测到的形貌、所得产物的物相和红外图谱分别如图1、2、3所示，可见，产物为棒状的草酸亚铁，棒长为1.18～1.76μm；直径为0.14～0.26μm；长径比为6.36～9.77。实施例2：与实施例1步骤相同，但沉淀剂与硫酸亚铁铵的物质的量之比为1:2。所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性异质结构纤维，其特征在于所述的磁性异质结构纤维，其内核为纳米晶组装而成的Fe3O4，表面包覆有Ni纳米晶；该纤维为多晶多孔结构，长为0.57μm～2.18μm，直径为0.07μm～0.73μm。

【技术特征摘要】
1.一种磁性异质结构纤维，其特征在于所述的磁性异质结构纤维，其内核为纳米晶组装而成的Fe3O4，表面包覆有Ni纳米晶；该纤维为多晶多孔结构，长为0.57μm～2.18μm，直径为0.07μm～0.73μm。2.如权利要求要求1所述的磁性异质结构纤维，其特征在于所述的Fe3O4和Ni，镍/铁原子比为0:100～28.88:71.12。3.如权利要求要求1所述的磁性异质结构纤维，其特征在于该磁性异质结构纤维的饱和磁化强度范围为：75.243～86.442emu·g-1。4.一种磁性异质结构纤维的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)纤维状草酸亚铁前驱物的制备：采用沉淀法，先将硫酸亚铁铵、表面活性剂、乙二醇、蒸馏水按一定的化学计量配制成溶液A，其用量关系为：乙二醇/水的体积比为2/5～5/2，铁盐的浓度为0.071～0.714mol/L，表面活性剂的浓度为0～0.143mol/L；再将表面活性剂、乙二醇、蒸馏水和沉淀剂按一定的比例配制成溶液B，其用量关系为：乙二醇/水的体积比为2/5～5/2，铁盐的浓度为0.071～0.714mol/L，表面活性剂的浓度为0～0.143mol/L，沉淀剂与硫酸亚铁铵物质的量之比为1:1～2:1，然后将溶液B与溶液A转入到烧杯中，在室温下磁力搅拌反应20min～24h后，用水和乙醇洗涤，60℃干燥6h得到所需纤维状草酸亚铁前驱物；(2)纤维状草酸亚铁/草酸镍前驱物的制备：采用沉淀转移法，按一定的化学计量比将草酸亚铁前驱物、镍盐、蒸馏水添加到烧杯中，在25～60℃反应1h，冷却后用水离心洗涤，60℃干燥6h得到所需的单...

【专利技术属性】
技术研发人员：童国秀，李亚娜，崔婷婷，叶宇城，吴文华，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33