SAXS测定二氧化硅胶体粒子结构-仪器信息网.pdfVIP

维普资讯 2002年北京同步辐射装置用户报告 SAXS测定二氧化硅胶体粒子结构 李志宏 巩雁军 蒲敏 吴东’孙予罕 (中国科学院山西煤炭化学研究所 煤转化国家重点实验室 太原 030001) 赵辉 董宝中 (中国科学院北京高能物理研究所 同步辐射实验室 北京 100039) 本文考察了正硅酸乙酯 (TEOS)在碱性催化条件下通过水解和缩聚而制得的二氧 化硅胶体的小角 x射线散射 (SAXS)特征，通过散射数据对 Porod负偏离的分析和校 正，测定了胶体粒子的几何结构，包括胶团尺度分布、胶核尺度分布及平均界面层厚度， 这有助于认识胶体的物理化学特征。 关t词 SAXS，Porod负偏离，二氧化硅胶体 ，胶体粒子几何结构 I．引言 胶体是一种分散相粒子线度介于 1-100rim 之间的多相物系。多相性、高度分散和 热力学不稳定性既是胶体物系的主要特征。又是产生其它性质如电 (如电泳、电渗)、 力学 (如布朗运动)、光学 (如丁达尔效应)、和流变学性质的依据。在胶体化学中I¨l， 构成胶粒的分|子和原子的聚集体称为胶核。由于分散胶核粒子很小，比表面积很大，比 表面 自由烩报离，因此物系处于热力学不稳定状态，小粒子能够 自发地相互聚结成大粒 子，大粒子易于沉降而与分散介质分离 (称为聚沉)；然而，根据吸附和漫散双 电层理 论，也正是由于高的比表面 自由焓，所以在一定条件下，粒子也能 自发地、选择性地吸 附某些物质，而形成相对稳定的溶剂化的界面层，因而保护了相互碰撞的粒子而不发生 聚结。胶核和它周围的界面层所组成的整体称为胶团。整个胶团是电中性的。胶团实际 上就是通称的溶胶粒子或胶体粒子。胶体粒子的这种几何结构如图 1所示。胶体粒子不 断地做布朗运动并相互碰撞、聚集、长大。对于胶体的这种微结构，用 目前的一般测试 手段难 以给出理想的解析。 I ● I 图 1 胶体粒子几何结构示意图 胶体是一种重要的纳米粒子分散体系p,41，在溶胶．凝胶化学渡膜和制备纳米介孔材 料中具有重要作用 。由于胶体粒子与分散介质之间存在电子密度差，而且胶体粒子处于 纳米尺度，正好在小角 x射线散射 (SAXS)的检测范围，加之高强度的同步辐射的应 用，使得 SAXS成为研究胶体的有效手段之一 。虽然小角 x射线散射现象早在上个 ii2 ， 维普资讯 2002年北京同步辐射装置用户报告 世纪三十年代就发现了，但 由于普通X射线强度低，限制 了其发展。SAXS真正的发展 则是在上个世纪八十年代同步辐射装置出现 以后。同步辐射装置小角散射实验以高强 度、高准直性的同步辐射作为入射X射线光源 ，以探测速度快、动态范围大、探测角度 宽的成像板技术检测散射信号，以及与电子计算机的结合，从而大大提高了实验的分辨 率和灵敏度 ，缩短实验时间，简化数据修正工作[61。应用 SAXS研究胶体，可以得到许 多定性和定量结构信息，如胶体粒度分布、分形维数、胶体粒子聚集机理的推断等。二 氧化硅胶体作为胶体体系中的重要一员，有着广泛的用途 ，它也是胶体化学中研究得最 多的体系，也是SAXS最早研究的体系。但有关胶核尺度及界面层厚度的测定则鲜有报 道。本文基于二氧化硅胶体的小角X射线散射强度对 SAXS中Porod定理的负偏离的分