表面疏水性變?yōu)橛H水性過(guò)程研究-低場(chǎng)核磁共振技術(shù)

什么叫親水性和疏水性

親水性：指帶有極性基團(tuán)的分子，對(duì)水有較大的親和能力，可以吸引水分子，或易溶解于水。這類分子形成的固體材料的表面，易被水所潤(rùn)濕。具有這種特性都是物質(zhì)的親水性。

疏水性：分子偏向于非極性，并因此較會(huì)溶解在中性和非極性溶液（如有機(jī)溶劑）。疏水性分子在水里通常會(huì)聚成一團(tuán)，而水在疏水性溶液的表面時(shí)則會(huì)形成一個(gè)很大的接觸角而成水滴狀。

材料表面潤(rùn)濕過(guò)程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)界面發(fā)生性質(zhì)和能量的變化。當(dāng)水分子之間的內(nèi)聚力小于水分子與固體材料分子間的相互吸引力時(shí)，材料被水潤(rùn)濕，此種材料為親水性的，稱為親水性材料；而水分子之間的內(nèi)聚力大于水分子與材料分子間的吸引力時(shí)，則材料表面不能被水所潤(rùn)濕，此種材料是疏水性的（或稱憎水性），稱為疏水性材料。

顆粒在水中會(huì)發(fā)生聚團(tuán)，如混疑、選擇性聚團(tuán)、疏水聚團(tuán)和油團(tuán)聚等已在礦物加工，水處理及食品加工等行業(yè)獲得廣泛的工業(yè)應(yīng)用。在粉體技術(shù)、化工、涂料和醫(yī)藥等領(lǐng)域中，聚團(tuán)的逆過(guò)程(顆粒分散)則是提高工藝效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量和性能的關(guān)鍵技術(shù)手段。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)

材料的親水性與疏水性與顆粒的團(tuán)聚與分散存在直接的關(guān)聯(lián)，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)可研究顆粒材料在水中的分散規(guī)律及分散行為與顆粒的潤(rùn)濕性的關(guān)系，通過(guò)顆粒間的相互作用了解分散作用機(jī)制。

顆粒分散體中溶劑的弛豫速率與可用顆粒表面積成線性比例。與游離聚合物相關(guān)的溶劑或聚合物環(huán)和尾部?jī)?nèi)的溶劑在弛豫速率方面沒(méi)有顯著變化，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀痪哂泻芨叩牧鲃?dòng)性。當(dāng)聚合物在顆粒表面形成吸附層時(shí)，由于水分子在近表面區(qū)域的比例和/或停留時(shí)間增加，總的弛豫速率增強(qiáng)。通過(guò)低場(chǎng)核磁技術(shù)的弛豫差異，即可描述顆粒分散性。

石墨烯表面疏水性能研究-低場(chǎng)核磁共振技術(shù)

什么叫親水性和疏水性？

親水性：指帶有極性基團(tuán)的分子，對(duì)水有較大的親和能力，可以吸引水分子，或易溶解于水。這類分子形成的固體材料的表面，易被水所潤(rùn)濕。具有這種特性都是物質(zhì)的親水性。

疏水性：分子偏向于非極性，并因此較會(huì)溶解在中性和非極性溶液（如有機(jī)溶劑）。疏水性分子在水里通常會(huì)聚成一團(tuán)，而水在疏水性溶液的表面時(shí)則會(huì)形成一個(gè)很大的接觸角而成水滴狀。

材料表面潤(rùn)濕過(guò)程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)界面發(fā)生性質(zhì)和能量的變化。當(dāng)水分子之間的內(nèi)聚力小于水分子與固體材料分子間的相互吸引力時(shí)，材料被水潤(rùn)濕，此種材料為親水性的，稱為親水性材料；而水分子之間的內(nèi)聚力大于水分子與材料分子間的吸引力時(shí)，則材料表面不能被水所潤(rùn)濕，此種材料是疏水性的（或稱憎水性），稱為疏水性材料。

石墨烯材料獨(dú)牛寺的結(jié)構(gòu)、大的比表面積，使得它擁有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值逐漸突顯，逐漸成為很多領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。比表面積是其一個(gè)重要的性質(zhì)，是衡量石墨烯材料性能的一項(xiàng)非常重要的參量，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)是一種先進(jìn)的測(cè)試懸浮液顆粒表面特性的方法，低場(chǎng)核磁共振法測(cè)試時(shí)間短，不需要繁瑣的樣品處理過(guò)程，無(wú)需引入外部試劑。在監(jiān)測(cè)懸浮液狀態(tài)下顆粒與溶劑之間的表面化學(xué)、親和性、潤(rùn)濕性等方面具有獨(dú)牛寺的優(yōu)勢(shì)。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)用于石墨烯表面疏水性能研究基本原理

材料的親水性與疏水性與顆粒的團(tuán)聚與分散存在直接的關(guān)聯(lián)，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)可研究顆粒材料在水中的分散規(guī)律及分散行為與顆粒的潤(rùn)濕性的關(guān)系，通過(guò)顆粒間的相互作用了解分散作用機(jī)制。

對(duì)于潤(rùn)濕的顆粒體系，顆粒表面會(huì)附著一層液相分子，這些液相分子因無(wú)機(jī)相表面的吸附作用而運(yùn)動(dòng)受限。但未與顆粒相接觸的液相分子運(yùn)動(dòng)是自由的，液相分子的馳豫時(shí)間（relaxation time）與它所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)，自由狀態(tài)的液相分子的核磁馳豫時(shí)間要比束縛狀態(tài)的液相分子的馳豫時(shí)間長(zhǎng)得多，顆粒分散性更好的體系吸附溶劑量相對(duì)更多，弛豫時(shí)間也就更短。因此，可以利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)來(lái)測(cè)量懸浮液體系的馳豫時(shí)間，并計(jì)算顆粒的濕潤(rùn)比表面積（可利用的吸附表面積），進(jìn)而用來(lái)研究顆粒的團(tuán)聚狀態(tài)、分散性穩(wěn)定性、親和性以及潤(rùn)濕性等問(wèn)題。

樹脂老化研究-低場(chǎng)核磁共振技術(shù)

不飽和聚酯樹脂固化后，在長(zhǎng)期使用中會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象，顏色變黃、發(fā)脆以致龜裂，表面失去光澤，強(qiáng)度下降，其他物理性能與化學(xué)性能也隨之下降。影響樹脂老化的因素很多，而且是交叉作用，機(jī)理較為復(fù)雜，與制品的使用條件(如溫度、受力情況等)直接相關(guān)。

樹脂老化的因素有哪些？

紫外線的作用:

不飽和聚酯樹脂固化后，在長(zhǎng)期曝曬下會(huì)老化。光老化的原因來(lái)自兩方面；一方面，光的能量使樹脂的共價(jià)鍵發(fā)生斷裂；另一方面樹脂本身的不純性，造成了受破壞的突破口。結(jié)果使樹脂加速降解。

空氣中氧和臭氧的作用:

氧和臭氧可使樹脂發(fā)生氧化降解、變色、表面龜裂以致剝落，電性能下降。在熱與光的聯(lián)合作用下老化加速。在室溫及避光時(shí)，老化進(jìn)展緩慢。聚酯中加入的Cu、Co、Zn等化合物可能呈離子型雜質(zhì)態(tài)，能加速氧化降解。在加速老化時(shí)具有自由基連鎖反應(yīng)性質(zhì)，破壞性較大。

水解降解作用:

樹脂交聯(lián)固化以后，酯鍵―COOR及―CH2―O―等鍵在酸和堿的催化下，或在熱水中，會(huì)被水解，使分子鏈斷裂，性能下降。在聚酯制品中大多加有玻璃纖維增強(qiáng)材料以及各種填料，水分容易滲入到以上材料與樹脂的界面，使水解作用加劇。

樹脂老化研究低場(chǎng)核磁共振技術(shù)原理

老化會(huì)使環(huán)氧樹脂分子鏈運(yùn)動(dòng)變?nèi)酰麄€(gè)老化過(guò)程表現(xiàn)出化學(xué)鍵斷裂與交聯(lián)的過(guò)程。非交聯(lián)段具有一定的分子運(yùn)動(dòng)特性，衰減相對(duì)較慢；而交聯(lián)段所受束縛程度大，分子運(yùn)動(dòng)特性小，衰減較快。通過(guò)弛豫信息的采集，可快速評(píng)價(jià)樹脂老化過(guò)程。

電纜老化研究-低場(chǎng)核磁共振技術(shù)

電纜在電力系統(tǒng)中使用越來(lái)越廣泛，但是隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)容易老化，威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。低場(chǎng)核磁共振分析技術(shù)可方便快捷地評(píng)價(jià)電纜的老化過(guò)程。

電纜老化的原因有哪些？

外力損傷

電纜敷設(shè)安裝時(shí)不規(guī)范施工，容易造成機(jī)械損傷；在直埋電纜上搞土建施工也極易將運(yùn)行中的電纜損傷等。

長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行

超負(fù)荷運(yùn)行，由于電流的熱效應(yīng)，負(fù)載電流通過(guò)電纜時(shí)必然導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱，同時(shí)電荷的集膚效應(yīng)以及鋼鎧的渦流損耗、絕緣介質(zhì)損耗也會(huì)產(chǎn)乍附加熱量，從而使電纜溫度升高。長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，過(guò)高的溫度會(huì)加速絕緣的老化，以至絕緣被擊穿。

化學(xué)腐蝕

電纜直接埋在有酸堿作用的地區(qū)，往往會(huì)造成電纜的鎧裝、鉛皮或外護(hù)層被腐蝕，保護(hù)層因長(zhǎng)期遭受化學(xué)腐蝕或電解腐蝕，致使保護(hù)層失效，絕緣降低，也會(huì)導(dǎo)致電纜故障。

電纜老化研究低場(chǎng)核磁共振技術(shù)原理

電纜在電場(chǎng)及其他物理化學(xué)因素的作用下，分子化學(xué)鍵容易斷裂并重新組合生成新的化學(xué)結(jié)構(gòu)。電纜老化過(guò)程表現(xiàn)出化學(xué)鍵斷裂與交聯(lián)的過(guò)程，化學(xué)鍵斷裂的越多，重新組合交聯(lián)的密度越大，復(fù)合絕緣子就會(huì)出現(xiàn)表面分化和整體脆化的不良特性。非交聯(lián)段具有一定的分子運(yùn)動(dòng)特性，衰減相對(duì)較慢；而交聯(lián)段所受束縛程度大，分子運(yùn)動(dòng)特性小，衰減較快。通過(guò)弛豫信息的采集，可快速評(píng)價(jià)電纜老化過(guò)程。

電纜老化研究-低場(chǎng)核磁共振技術(shù)

電纜在電力系統(tǒng)中使用越來(lái)越廣泛，但是隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)容易老化，威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。低場(chǎng)核磁共振分析技術(shù)可方便快捷地評(píng)價(jià)電纜的老化過(guò)程。

電纜老化的原因有哪些？

外力損傷

電纜敷設(shè)安裝時(shí)不規(guī)范施工，容易造成機(jī)械損傷；在直埋電纜上搞土建施工也極易將運(yùn)行中的電纜損傷等。

長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行

超負(fù)荷運(yùn)行，由于電流的熱效應(yīng)，負(fù)載電流通過(guò)電纜時(shí)必然導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱，同時(shí)電荷的集膚效應(yīng)以及鋼鎧的渦流損耗、絕緣介質(zhì)損耗也會(huì)產(chǎn)乍附加熱量，從而使電纜溫度升高。長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，過(guò)高的溫度會(huì)加速絕緣的老化，以至絕緣被擊穿。

化學(xué)腐蝕

電纜直接埋在有酸堿作用的地區(qū)，往往會(huì)造成電纜的鎧裝、鉛皮或外護(hù)層被腐蝕，保護(hù)層因長(zhǎng)期遭受化學(xué)腐蝕或電解腐蝕，致使保護(hù)層失效，絕緣降低，也會(huì)導(dǎo)致電纜故障。

電纜老化研究低場(chǎng)核磁共振技術(shù)原理

電纜在電場(chǎng)及其他物理化學(xué)因素的作用下，分子化學(xué)鍵容易斷裂并重新組合生成新的化學(xué)結(jié)構(gòu)。電纜老化過(guò)程表現(xiàn)出化學(xué)鍵斷裂與交聯(lián)的過(guò)程，化學(xué)鍵斷裂的越多，重新組合交聯(lián)的密度越大，復(fù)合絕緣子就會(huì)出現(xiàn)表面分化和整體脆化的不良特性。非交聯(lián)段具有一定的分子運(yùn)動(dòng)特性，衰減相對(duì)較慢；而交聯(lián)段所受束縛程度大，分子運(yùn)動(dòng)特性小，衰減較快。通過(guò)弛豫信息的采集，可快速評(píng)價(jià)電纜老化過(guò)程。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)用于運(yùn)動(dòng)活化能研究

什么是活化能？

活化能是指分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量。對(duì)基元反應(yīng)，活化能即基元反應(yīng)的活化能。對(duì)復(fù)雜的非基元反應(yīng)，反應(yīng)活化能是總包反應(yīng)的的表觀活化能，即各基元反應(yīng)活化能的代數(shù)和。

低場(chǎng)核磁在多孔材料活化能方面的應(yīng)用

低場(chǎng)核磁共振弛豫時(shí)間被證明是飽和液體的多孔材料中吸附質(zhì)-吸附劑相互作用的獨(dú)特探針。縱向和橫向弛豫時(shí)間之比（T1/T2）與吸附質(zhì)-吸附劑相互作用能（活化能）有關(guān)，可以引入一個(gè)基于弛豫時(shí)間之比的定量度量（ES）來(lái)表征這種表面相互作用的強(qiáng)度（活化能）。

多孔介質(zhì)中液體的表面相互作用非常重要，特別是在多相催化領(lǐng)域，理解表面相互作用的能力對(duì)于高效合理的催化劑設(shè)計(jì)至關(guān)重要。探測(cè)液體飽和多孔介質(zhì)中的液體-表面相互作用尤其具有挑戰(zhàn)性。現(xiàn)有方法都有局限性，并且沒(méi)有一個(gè)能夠在實(shí)際反應(yīng)條件下無(wú)損地探測(cè)催化劑表面分子的行為。

使用低場(chǎng)核磁共振弛豫測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)

相比高場(chǎng)核磁，弛豫測(cè)量對(duì)吸附相互作用的表征不依賴于NMR線型和“峰位”(與多孔介質(zhì)中的液體或化學(xué)位移相關(guān)的實(shí)際峰位，可能受吸附質(zhì)-吸附劑相互作用以外的因素影響)。

自旋晶格與自旋-自旋弛豫時(shí)間之比（T1/T2）可直接與脫附活化能有關(guān)，脫附活化能表征了吸附劑表面上蕞強(qiáng)的吸附位點(diǎn)，可以由程序升溫脫附（TPD）方法確定。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)用于運(yùn)動(dòng)活化能研究的基本原理：

核磁共振弛豫技術(shù)已成為研究飽和多孔介質(zhì)中液體表面相互作用的一種非侵入性、化學(xué)敏感的分析技術(shù)。由于分子運(yùn)動(dòng)性的變化，當(dāng)液體分子吸附在固體表面時(shí)，檢測(cè)到的T1和T2弛豫時(shí)間都會(huì)縮短；在自由液體中，T1約等于T2。T1和T2都受到被吸附分子(表面水分子)旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間變化的影響。然而，T2進(jìn)一步受到與表面擴(kuò)散相關(guān)的平移相關(guān)時(shí)間的影響。因此，當(dāng)分子吸附在表面上時(shí)，其平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)的變化對(duì)T2的影響大于T1，導(dǎo)致T1>T2。

T1/T2值表明了同一催化劑中不同液體表面相互作用的相對(duì)強(qiáng)度。T1/T2比率可以用作表面親和力的定性描述，并可以進(jìn)一步反映出活化能。

混凝土自愈合研究（低場(chǎng)核磁共振技術(shù))

混凝土是世界上使用蕞廣泛的建筑材料。但它很容易出現(xiàn)裂縫，這意味著，結(jié)構(gòu)物需要增加鋼筋加以強(qiáng)化。強(qiáng)化過(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)部分“微裂縫”，這并不會(huì)直接導(dǎo)致強(qiáng)度損失。混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定蕞大裂縫寬度小于等于0.3mm。但隨著時(shí)間的推移，水與侵蝕性化學(xué)物一起進(jìn)入這些裂縫并腐蝕混凝土。

什么是混凝土自愈合？

混凝土自愈合是指可自行修補(bǔ)裂縫的實(shí)驗(yàn)性混凝土，它包含有可生產(chǎn)石灰石的休眠的細(xì)菌孢子和細(xì)菌生長(zhǎng)所需要的養(yǎng)分，通過(guò)作用于結(jié)構(gòu)的腐蝕性雨水滲入加以激活，以期對(duì)混凝土開裂部分進(jìn)行局部填充。這種新材料有可能會(huì)提高混凝土的使用壽命，并有效降低混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本。

混凝土自愈合的工作原理

研究人員將混凝土愈合所需的細(xì)菌孢子和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作為顆粒添加到混凝土配合料中，這些能在強(qiáng)堿性混凝土環(huán)境中生存數(shù)十年的芽孢桿菌，利用乳酸鈣作為這些細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。但水又成了微生物生長(zhǎng)需要所缺少的成分，因此，孢子處于休眠狀態(tài)。但當(dāng)有水接觸這一膠囊時(shí)，膠囊將會(huì)融化，細(xì)菌將開始生長(zhǎng)，并以乳酸鈣作為營(yíng)養(yǎng)來(lái)源生成混凝土的主要成分石灰石。隨后，裂縫將會(huì)“愈合”。混凝土自愈合中的桿菌細(xì)菌可以在石灰石中生存,且能不斷地產(chǎn)生孢子當(dāng)水滲入其中的時(shí)候,桿菌細(xì)菌就會(huì)自動(dòng)生產(chǎn)出石灰石,從而修復(fù)好裂縫,一般歷時(shí)3周就可以完成修復(fù)。現(xiàn)在還有一種含有機(jī)鈣化合物的產(chǎn)品也被開始添加進(jìn)混凝土自愈合之中,以此來(lái)增快混凝土自愈合的自愈速度。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)用于混凝土研究

低場(chǎng)核磁共振很早就被用來(lái)分析水泥的反應(yīng)的過(guò)程,通過(guò)測(cè)試混合水泥漿液在不同反應(yīng)時(shí)間下的弛豫時(shí)間譜,以水分布的變化反推水泥的反應(yīng)過(guò)程。借助低場(chǎng)核磁共振技術(shù),可研究新型水泥的水化反應(yīng)過(guò)程。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)可在非破壞條件下連續(xù)監(jiān)測(cè)水泥基材料孔結(jié)構(gòu)的發(fā)展。在水泥基材料的孔隙中,通常填充有水分。在一定的射頻能的激發(fā)下,處在磁場(chǎng)中的水分子會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象,進(jìn)而表現(xiàn)出弛豫行為,其弛豫時(shí)間的長(zhǎng)短與水分子所在的孔隙尺寸有著定量的關(guān)系,因此能夠間接地得到孔結(jié)構(gòu)的信息。

受限流體的弛豫主要受制于表面弛豫的影響。對(duì)于特定介質(zhì)而言,t2與多孔介質(zhì)的比表面積相關(guān),在孔隙率相同時(shí),孔徑越小,比表面積越大,表面相互作用的影響越強(qiáng)烈,t2就越短。對(duì)多孔介質(zhì)流體弛豫的研究提供了孔結(jié)構(gòu)方面的信息。

自愈合混凝土研究（低場(chǎng)核磁共振技術(shù))

混凝土是世界上使用蕞廣泛的建筑材料。但它很容易出現(xiàn)裂縫，這意味著，結(jié)構(gòu)物需要增加鋼筋加以強(qiáng)化。強(qiáng)化過(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)部分“微裂縫”，這并不會(huì)直接導(dǎo)致強(qiáng)度損失。混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定蕞大裂縫寬度小于等于0.3mm。但隨著時(shí)間的推移，水與侵蝕性化學(xué)物一起進(jìn)入這些裂縫并腐蝕混凝土。

什么是自愈合混凝土？

自愈合混凝土是指可自行修補(bǔ)裂縫的實(shí)驗(yàn)性混凝土，它包含有可生產(chǎn)石灰石的休眠的細(xì)菌孢子和細(xì)菌生長(zhǎng)所需要的養(yǎng)分，通過(guò)作用于結(jié)構(gòu)的腐蝕性雨水滲入加以激活，以期對(duì)混凝土開裂部分進(jìn)行局部填充。這種新材料有可能會(huì)提高混凝土的使用壽命，并有效降低混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本。

自愈合混凝土的工作原理

研究人員將混凝土愈合所需的細(xì)菌孢子和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作為顆粒添加到混凝土配合料中，這些能在強(qiáng)堿性混凝土環(huán)境中生存數(shù)十年的芽孢桿菌，利用乳酸鈣作為這些細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。但水又成了微生物生長(zhǎng)需要所缺少的成分，因此，孢子處于休眠狀態(tài)。但當(dāng)有水接觸這一膠囊時(shí)，膠囊將會(huì)融化，細(xì)菌將開始生長(zhǎng)，并以乳酸鈣作為營(yíng)養(yǎng)來(lái)源生成混凝土的主要成分石灰石。隨后，裂縫將會(huì)“愈合”。自愈合混凝土中的桿菌細(xì)菌可以在石灰石中生存,且能不斷地產(chǎn)生孢子當(dāng)水滲入其中的時(shí)候,桿菌細(xì)菌就會(huì)自動(dòng)生產(chǎn)出石灰石,從而修復(fù)好裂縫,一般歷時(shí)3周就可以完成修復(fù)。現(xiàn)在還有一種含有機(jī)鈣化合物的產(chǎn)品也被開始添加進(jìn)自愈合混凝土之中,以此來(lái)增快自愈合混凝土的自愈速度。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)用于混凝土研究

低場(chǎng)核磁共振很早就被用來(lái)分析水泥的反應(yīng)的過(guò)程,通過(guò)測(cè)試混合水泥漿液在不同反應(yīng)時(shí)間下的弛豫時(shí)間譜,以水分布的變化反推水泥的反應(yīng)過(guò)程。借助低場(chǎng)核磁共振技術(shù),可研究新型水泥的水化反應(yīng)過(guò)程。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)可在非破壞條件下連續(xù)監(jiān)測(cè)水泥基材料孔結(jié)構(gòu)的發(fā)展。在水泥基材料的孔隙中,通常填充有水分。在一定的射頻能的激發(fā)下,處在磁場(chǎng)中的水分子會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象,進(jìn)而表現(xiàn)出弛豫行為,其弛豫時(shí)間的長(zhǎng)短與水分子所在的孔隙尺寸有著定量的關(guān)系,因此能夠間接地得到孔結(jié)構(gòu)的信息。

受限流體的弛豫主要受制于表面弛豫的影響。對(duì)于特定介質(zhì)而言,t2與多孔介質(zhì)的比表面積相關(guān),在孔隙率相同時(shí),孔徑越小,比表面積越大,表面相互作用的影響越強(qiáng)烈,t2就越短。對(duì)多孔介質(zhì)流體弛豫的研究提供了孔結(jié)構(gòu)方面的信息。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)用于溫度升高時(shí)活化能研究

什么是活化能？

活化能是指分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量。對(duì)基元反應(yīng)，活化能即基元反應(yīng)的活化能。對(duì)復(fù)雜的非基元反應(yīng)，反應(yīng)活化能是總包反應(yīng)的的表觀活化能，即各基元反應(yīng)活化能的代數(shù)和。

低場(chǎng)核磁在多孔材料活化能方面的應(yīng)用

低場(chǎng)核磁共振弛豫時(shí)間被證明是飽和液體的多孔材料中吸附質(zhì)-吸附劑相互作用的獨(dú)特探針。縱向和橫向弛豫時(shí)間之比（T1/T2）與吸附質(zhì)-吸附劑相互作用能（活化能）有關(guān)，可以引入一個(gè)基于弛豫時(shí)間之比的定量度量（ES）來(lái)表征這種表面相互作用的強(qiáng)度（活化能）。

多孔介質(zhì)中液體的表面相互作用非常重要，特別是在多相催化領(lǐng)域，理解表面相互作用的能力對(duì)于高效合理的催化劑設(shè)計(jì)至關(guān)重要。探測(cè)液體飽和多孔介質(zhì)中的液體-表面相互作用尤其具有挑戰(zhàn)性。現(xiàn)有方法都有局限性，并且沒(méi)有一個(gè)能夠在實(shí)際反應(yīng)條件下無(wú)損地探測(cè)催化劑表面分子的行為。

使用低場(chǎng)核磁共振弛豫測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)

相比高場(chǎng)核磁，弛豫測(cè)量對(duì)吸附相互作用的表征不依賴于NMR線型和“峰位”(與多孔介質(zhì)中的液體或化學(xué)位移相關(guān)的實(shí)際峰位，可能受吸附質(zhì)-吸附劑相互作用以外的因素影響)。

自旋晶格與自旋-自旋弛豫時(shí)間之比（T1/T2）可直接與脫附活化能有關(guān)，脫附活化能表征了吸附劑表面上蕞強(qiáng)的吸附位點(diǎn)，可以由程序升溫脫附（TPD）方法確定。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)用于溫度升高時(shí)活化能研究基本原理：

溫度升高時(shí)活化能會(huì)發(fā)生變化。核磁共振弛豫技術(shù)已成為研究飽和多孔介質(zhì)中液體表面相互作用的一種非侵入性、化學(xué)敏感的分析技術(shù)。由于分子運(yùn)動(dòng)性的變化，當(dāng)液體分子吸附在固體表面時(shí)，檢測(cè)到的T1和T2弛豫時(shí)間都會(huì)縮短；在自由液體中，T1約等于T2。T1和T2都受到被吸附分子(表面水分子)旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間變化的影響。然而，T2進(jìn)一步受到與表面擴(kuò)散相關(guān)的平移相關(guān)時(shí)間的影響。因此，當(dāng)分子吸附在表面上時(shí)，其平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)的變化對(duì)T2的影響大于T1，導(dǎo)致T1>T2。

T1/T2值表明了同一催化劑中不同液體表面相互作用的相對(duì)強(qiáng)度。T1/T2比率可以用作表面親和力的定性描述，并可以進(jìn)一步反映出溫度升高時(shí)活化能的變化。