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吸附层厚度测定:水溶性纤维素醚的合成与应用成果

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：图4.30掺加SMHE刻蚀660s后Ca2p及C1s电子吸收峰强度表4.7水泥颗粒吸附不同减水剂的吸附层厚度由于文中采用C1s电子结合能相对稳定，可作为其他电子结合能的校正基准，测得的Ca2p结合能与基准Ca2p结合能发生一定的化学位移，结果如表4.8所示。

正如不同水泥颗粒对不同减水剂的吸附量存在差异，不同种类减水剂被水泥颗粒吸附后，由于减水剂的分子结构、特征基团等的差异，必然导致吸附层厚度不同。实验中采用X射线光电子能谱仪对吸附减水剂前后水泥颗粒进行全元素分析。由于减水剂SNF在水泥颗粒表面的吸附层厚度较为明确，大致在几纳米范围内，比较适合采用变角XPS测试，同时以掺加SNF的水泥颗粒试样进行Ar离子刻蚀，校正仪器对掺加减水剂的水化水泥的刻蚀速率。在测试分析过程中，以C1s的结合能为基准，即确定C1s结合能保持285eV不变，以Ca2p[标准结合能为（346.9±0.15）eV，选择结合能为347eV是可行的]的结合能变化确定减水剂与水泥之间结合状态。

图4.20是空白试样的XPS全元素谱，主要反映出水化水泥中几种特征元素的结合能和相对强度。从图4.20可见，C1s结合能是285eV,Ca2p的结合能是347eV,O1s结合能是532eV。图4.21是空白试样C1s和Ca2p的XPS谱图。

图4.20　空白试样的XPS谱图

图4.21　空白试样C1s和Ca2p的XPS谱图

图4.22是掺加SNF的水泥颗粒表面Cls的变角XPS图谱。对掺加SNF的水泥颗粒分别在60°和30°下进行XPS表面分析。利用公式λ（Ek）=AnEk-2+Bn（Ek）1/2计算得到X光电子非弹性散射自由程λ（Ek）为3.81nm，并由式（2.13）计算出水泥颗粒吸附SNF的吸附层厚度b为0.82nm。采用氩离子刻蚀方法对吸附层进行深度剖析，当刻蚀时间为80s时，C1s峰强度基本与空白样相当，见图4.23～图4.25，经分析可知此时刻蚀深度已经达到水泥颗粒吸附层的厚度，计算得出Ar离子刻蚀速率为0.62nm/min。在以下研究其他种类减水剂在水泥颗粒表面吸附层厚度时，均采用刻蚀速率为0.62nm/min来计算。

图4.22　掺加SNF的水泥颗粒表面C1s的变角XPS图谱

图4.23　掺加SNF后不同刻蚀时间水泥颗粒表面的XPS全谱

a—未刻蚀b—刻蚀刻蚀时间为80s

图4.24　掺加SNF水泥颗粒C1s电子吸收峰强度与刻蚀时间的关系

（a～e的刻蚀时间分别为0，20s，40s，60s，80s）

图4.25　掺加SNF后刻蚀时间与Ca2p吸收峰强度的关系

图4.26是掺加SBC的水泥水化物不同刻蚀时间的XPS全谱，图4.27是掺加SBC不同刻蚀时间的C1s电子吸收峰强度，图4.28是掺加SBC水泥颗粒刻蚀前后Ca2p电子吸收峰强度。经过对图4.26～图4.28的分析可知，经过360s的刻蚀，基本已经对水泥颗粒表面的SBC吸附层刻蚀完毕。(www.chuimin.cn)

图4.29是刻蚀前后掺加SMHE的XPS全谱，图4.30是掺加SMHE刻蚀660s后Ca2p及C1s电子吸收峰强度。对比刻蚀660s后C1s吸收峰与空白试样C1s吸收峰强度，可以发现，经过刻蚀，两者的强度相当，可认为此时已经将吸附层刻蚀完毕，刻蚀的总厚度即为吸附层厚度。

图4.26　掺加SBC的水泥水化物不同刻蚀时间的XPS全谱

a～d的分别代表刻蚀时间是0，2min，4min和6min的XPS谱图

图4.27　掺加SBC不同刻蚀时间的C1s电子吸收峰强度

图4.28　掺加SBC水泥颗粒刻蚀前后Ca2p电子吸收峰强度

图4.29　掺加SMHE的XPS全谱

经Ar离子刻蚀，可计算出不同减水剂在水泥颗粒表面吸附层厚度（表4.7），SNF的吸附层厚度为0.82nm，这个结果与文献中的0.58nm比较接近；而本试验制备的减水剂SBC在水泥颗粒表面形成的吸附层厚度为3.72nm，是SNF的吸附层厚度的4.5倍；SMHE的吸附层厚度最大，为6.82nm，是SNF的吸附层的8.3倍。吸附层的存在，有利于减水剂空间位阻作用的发挥，一方面能改善减水分散性能；另一方面也能改善流动度经时损失，这方面内容将在以下章节加以探讨。

图4.30　掺加SMHE刻蚀660s后Ca2p及C1s电子吸收峰强度

表4.7　水泥颗粒吸附不同减水剂的吸附层厚度

由于文中采用C1s电子结合能相对稳定，可作为其他电子结合能的校正基准，测得的Ca2p结合能与基准Ca2p结合能发生一定的化学位移，结果如表4.8所示。根据相关文献的Ca2p结合能应该为347eV，掺加SNF的水泥颗粒刻蚀前后的Ca2p分别增加了0.75eV和0.8eV，产生了较大的位移，说明SNF与水泥发生了化学吸附，这与有关资料有出入，资料认为SNF与水泥颗粒主要发生物理吸附；掺加SBC的水泥颗粒Ca2p结合能发生较明显的化学位移，向高场方向移动，刻蚀前的结合能位移增加了2.0eV，刻蚀后结合能位移增加了1.2eV，说明SBC与水泥颗粒表面发生了化学吸附；掺加SMHE的水泥颗粒表面Ca2p刻蚀前后的Ca2p结合能位置变化也得出相同结论。从而说明这三种减水剂SNF、SBC及SMHE均与水泥发生了化学吸附。

表4.8　掺加不同减水剂Ca2p结合能