史博川

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

超聲波是一種波長為100mm～0.1mm，頻率在10kHz～106kHz的機(jī)械波，波速約為1450m/s～1500m/s。超聲波也是一種波動(dòng)形式，可以作為探測與負(fù)載信息的載體。并且超聲波也是一種能量形式，它能夠引發(fā)新的反應(yīng)通道或加快化學(xué)反應(yīng)。

超聲波在傳播過程中與介質(zhì)相互作用，振幅和相位發(fā)生改變，使物質(zhì)的一些化學(xué)、物理和生物狀態(tài)或特性發(fā)生改變，或是加速這種改變的進(jìn)程，因而發(fā)生一系列效應(yīng)，如化學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和生物效應(yīng)等。這種效應(yīng)可總結(jié)為以下三種基本作用：空化作用、熱作用、機(jī)械作用。

目前，聲空化作用引發(fā)的化學(xué)和特定物理環(huán)境為制取納米級(jí)材料提供了新的途徑，聲空化方法逐步成為制備特定功能材料的一項(xiàng)新技術(shù)，主要涵蓋超聲霧化法、超聲化學(xué)法等。

納米材料含有大量處于晶粒內(nèi)和晶界缺陷中心的原子，晶粒細(xì)小，材料具有量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)。納米材料在力學(xué)、催化、磁性、光學(xué)等方面具有很多特殊的性能。β-Fe2O3和α-Fe2O3是納米米氧化鐵紅主要成分。納米氧化鐵紅除了具有普通氧化鐵的無毒、耐腐蝕等特點(diǎn)外，還具有色澤艷麗、分散性高、對紫外線具有良好屏蔽和吸收效應(yīng)等特點(diǎn)。

制備納米氧化鐵紅的方法較多，按物料反應(yīng)狀態(tài)來分，可以分為干法和濕法。濕法一般以Fe2(SO4)3、FeSO4、Fe(NO3)3或FeC13為原料，應(yīng)用水熱法、沉淀法、膠體化學(xué)法、強(qiáng)迫水解法等制備。濕法是近年工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)室普遍采用的制備納米粉體的方法。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)采用沉淀法制備納米氧化鐵紅，在可溶性的鐵鹽溶液里加入NaOH作為沉淀劑，形成不溶性的氫氧化鐵，從反應(yīng)溶液中析出沉淀相，將原有的雜質(zhì)陰離子從溶液和溶質(zhì)中洗去，通過焙燒后制得所需的納米氧化鐵紅粉體。

為了驗(yàn)證超聲波對制備納米氧化鐵紅納米粒子性能的影響，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn):超聲波(頻率為40 kHz，功率140W)、機(jī)械攪拌(攪拌速度=700/rpm)、溶液pH值13.5，溫度80℃，反應(yīng)時(shí)間60 min，在制備Fe(OH)3沉淀反應(yīng)階段，采用如下方式：

（1）機(jī)械攪拌作用；

（2）超聲波和機(jī)械攪拌共同作用；

最后將兩種方式制備出的Fe(OH)3沉淀在相同的焙燒條件下焙燒即：焙燒溫度800℃，焙燒時(shí)間120min，最后對兩種納米氧化鐵紅進(jìn)行對比分析。

圖1 不同的作用方式下的掃描電鏡圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

兩種條件下反應(yīng)制得的氫氧化鐵粒子經(jīng)過洗滌、過濾和烘干，并在730℃下焙燒120min，將制取的納米粉體進(jìn)行SEM掃描電鏡分析，如圖1(a)、(b)、(c)、(d)所示。

分析結(jié)果表明：在超聲波和機(jī)械攪拌共同作用下，沉淀速度加快，體系顏色變化加快，生成的粒子粒徑??；單機(jī)械攪拌作用下，沉淀及氧化速率慢，在攪拌反應(yīng)25min后反應(yīng)溶液體系才出現(xiàn)色澤的改變，同時(shí)反應(yīng)時(shí)間較長；結(jié)果表明，圖(b)、(d)中α-Fe2O3納米顆粒粒度小，平均粒徑在50nm～100nm，基本為均勻球狀形態(tài)，團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯；而圖(a)、(c)中α-Fe2O3納米顆粒尺寸較大，團(tuán)聚現(xiàn)象顯著，納米粒子尺寸分布不均勻且球狀形態(tài)不明顯。

沉淀相的成核和生長過程是化學(xué)沉淀法制備納米材料的關(guān)鍵。沉淀反應(yīng)中晶核生長過程和晶核成核過程互相競爭，顆粒生長速度大于成核速度，反應(yīng)生成的晶粒越大；顆粒成核速度大于生長速度，反應(yīng)生成的晶粒越小?；瘜W(xué)沉淀法制取的納米材料晶粒粒徑主要決定于晶核生長和生成的相對速度。納米氧化鐵制備過程中，反應(yīng)體系在超聲場作用下，產(chǎn)生了空化效應(yīng)。反應(yīng)液歷經(jīng)超聲波的壓縮相和稀疏相時(shí)，氣泡收縮、生長、再收縮、再生長，反復(fù)多次周期性振蕩，最后發(fā)生高速分裂。在裂解過程中產(chǎn)生高速射流和劇烈沖擊波，射流的時(shí)速可達(dá)450km/h，同時(shí)在固液表面發(fā)生劇烈的沖擊效應(yīng)，因而使固體晶粒粒子分散，消除晶粒的團(tuán)聚效應(yīng)。

3 結(jié)論

通過超聲波對可溶性的鐵鹽溶液進(jìn)行有效處理，應(yīng)用沉淀法浸出鐵的固相沉淀經(jīng)過堿洗凈化處理，研磨成粉末狀進(jìn)行焙燒制備納米氧化鐵紅研究，考察了超聲波作用對制備納米氧化鐵紅的影響，研究結(jié)果表明：超聲波場應(yīng)用于納米氧化鐵的制備過程中有如下作用：有利于晶粒成核，在沉淀反應(yīng)過程中增加晶核數(shù)量，晶粒粒徑尺寸降低，提高納米材料性能。由于空化效應(yīng)產(chǎn)生的高速射流和劇烈沖擊波，能夠切斷和破碎粒子，降低晶粒團(tuán)聚幾率。超聲波引發(fā)的混合作用使反應(yīng)體系更分散均勻。單獨(dú)機(jī)械攪拌作用下，制取的成品晶粒粒徑大，沉淀反應(yīng)速率慢；在超聲波和機(jī)械攪拌同時(shí)作用下，納米氧化鐵粒子粒徑小，加快了沉淀反應(yīng)速率，并降低了晶粒團(tuán)聚幾率。在超聲波作用下制得粒徑均勻的球形粉體納米鐵紅，平均粒徑在50nm～100nm之間，物化性能優(yōu)越。