前言纳米颗粒的制备方法种类繁多，其中备受瞩目的首选方法是溶胶-凝胶法。这一方法的原料主要包括四乙氧基硅烷和乙醇作为溶剂。
通过溶胶-凝胶法，能够合成具有可控粒径的球形二氧化硅纳米颗粒，而这些颗粒的形态和大小则可以通过表面活性剂的调控来实现。
在纳米颗粒的合成领域，还存在许多其他的方法，例如等离子体合成、化学气相沉积、微乳液处理、燃烧合成、溶胶-凝胶处理以及水热技术等。
溶胶-凝胶法能够在相对较低的温度条件下进行合成，从而有助于保持颗粒的纯度，通过控制反应混合物的组成，可以调节该方法的反应动力学，实现颗粒特性的定制化。不仅如此，期望的pH值也可通过该方法来实现，进而获得高纯度的纳米颗粒产品。
因此，纳米颗粒的合成方法虽然多种多样，但溶胶-凝胶法凭借其优越的可控性和定制化能力，成为了众多研究者和科学家关注和使用的重要手段。这种方法有望在纳米科技领域取得更多突破，并为纳米材料的应用开辟更广阔的前景。
一、实验细节采用溶胶-凝胶法成功合成了二氧化硅纳米颗粒，其中这些纳米颗粒通过在乙醇、水、氨和表面活性剂的混合物中水解TEOS合成。TEOS、乙醇和氨作为二氧化硅前驱体、常用溶剂和催化剂，分别发挥着关键作用。
在实验过程中，将10ml乙醇、3ml去离子水、1ml TEOS和2.5g非离子表面活性剂加入反应容器，并进行30分钟的搅拌以确保混合均匀。然后，逐滴加入氢氧化铵来控制反应混合物的pH值。
随着氨的加入，反应混合物保持清澈一段时间，然后逐渐变浑浊，这是由于二氧化硅纳米颗粒的形成。整个反应过程在2小时内完成。
所得白色粉末在100°C下干燥过夜，然后在1,000°C下在空气中煅烧650小时。为了进行比较研究二氧化硅纳米颗粒的粒径，还进行了不使用表面活性剂的实验。同样的反应条件下制备了含有硅粉代替纳米硅二氧化物的样品。
研究将5%（w/w）干粉二氧化硅纳米颗粒添加到水泥浆中的影响。通过SEM、XRD和TGA等分析手段对比了水泥浆体的形貌和矿物学性质。
在用纳米二氧化硅对水泥浆体进行形貌和矿物学分析时，将0.2克纳米硅二氧化物与4克水泥混合。所有实验中，水水泥比（w/c）保持为0.5。在研究中采用丙酮来停止水泥浆的水化过程。
通过使用扫描电子显微镜（LEO-438 VP）在15-20 kV的加速电压下，对纳米二氧化硅的形貌属性进行了详细测量。为了提高样品的表面电导率，在变压（VP）模式下使用金涂层对样品进行了分析，并将样品沉积在带有双棒导电碳带的样品架上。
利用室温下的Cu-Kα辐射在理学D-Max 2200上进行粉末X射线衍射数据记录，扫描速率为1分钟。通过NEXUS FTIR对二氧化硅纳米颗粒的各种化学键进行了深入研究，每个红外光谱范围为400-4000厘米。
随后，采用珀金埃尔默分析仪，以25°C/min的加热速率，对样品进行了研究，得到了有关样品性质的重要信息。另外，还使用了Belsorp仪器，在350°C下抽真空3小时，进行了吸附-解吸实验，以确定BET比表面积。
二、结果和讨论在溶胶-凝胶法中，二氧化硅前体在首先发生水解反应，随后与表面活性剂的头部基团结合。这种相互作用的性质主要取决于静电力或氢键的形成，而这一因素则由表面活性剂的特性所决定。
具体而言，跨度20、跨度40和跨度60的表面活性剂的亲水亲脂平衡值分别为8.6、6.7和4.3。
在反应体系的pH值不同的条件下，二氧化硅前驱体与表面活性剂之间的相互作用也会发生变化，从而影响颗粒的形态。
在中性条件下，非离子表面活性剂与带电二氧化硅前驱体之间的氢键需要较长的时间才能形成，而在碱性条件下，带电前驱体与带有相反电荷的表面活性剂之间形成强烈的相互作用，导致形成有序的二氧化硅颗粒。通过BET方法测得这些纳米颗粒的比表面积（SSA）。
在使用span 60作为表面活性剂制备的二氧化硅纳米颗粒中，具有更高的表面积（约11,500 m2/kg）和粒径约为80nm。通过这种方法合成的n-SiO在SEM中表现出粒径减小的趋势，随着表面活性剂的链长增加。
使用span 150、span 80和span 20系列的非离子表面活性剂，可以制备40-60 nm范围内的二氧化硅颗粒。
尽管非离子表面活性剂能够改善颗粒的可调性和尺寸分布，但这也会导致结构的有序性降低。然而，利用span系列非离子表面活性剂，则能够在保持颗粒尺寸可控性的同时，保持结构的有序性。
纳米二氧化硅的粒径在合成过程中受到反应体系的pH值以及氨的浓度的影响。随着氨浓度的增加，即高pH值，粒径也随之增加。这种现象在合成n-SiO的扫描电子显微镜（SEM）中也得到了证实，显示出随着体系pH值的增加，纳米二氧化硅的粒径逐渐增大。
值得注意的是，聚合和单体加成反应的速率也会受到反应体系的pH值影响。在pH 7以上的条件下，凝聚物质会被电离，导致它们相互排斥。由于二氧化硅在高pH值（pH 7以上）时的溶解度更高，小颗粒会通过颗粒聚集而逐渐增大。
然后，在较长时间内，这些高度可溶性的小颗粒会在可溶性较低的颗粒上溶解和再沉淀，从而导致颗粒数量减少。这个过程被称为奥斯特瓦尔德成熟。
针对n-SiO2的溶胶-凝胶法合成，其产生的二氧化硅呈无定形状态，这有利于胶凝反应的进行。利用不同的表面活性剂（例如span 20、span 40和span 60）进行合成，得到了代表性的红外光谱。
在红外光谱中，可以观察到两个最强的吸收带，分别位于约1100和480 cm−1，代表着Si-O-Si键的延伸和弯曲振动。另外，红外吸收带在约800 cm−1处来自四面体结构。
在∼3453和1630 cm−1处的吸收带则来自于水分子的O-H键合振动。有趣的是，红外分析还显示随着粒径的减小，该条带在1076 cm−1处略微向较低的波数移动，这表明在较小粒径下，Si和O原子的局部键合结构发生了变化。
在近年的研究中，科学家们采用了一种新的方法，将纳米颗粒引入水泥浆中，以增强其抗钙浸出能力。这些纳米颗粒的作用是促进水泥中两种硅酸盐相——硅酸三钙和硅酸二钙，在水合过程中形成硅酸钙（C-S-H）和氢氧化钙（CH）等水合产物。
这其中，C-S-H凝胶扮演着水泥水化过程的关键角色，它不仅负责增强水泥浆的强度，还参与形成微观结构。
为了评估水泥浆体中CH的形成量，在水化过程中应用了热重分析（TGA）技术。这种方法不仅可以监测CH的生成，还可以测定水泥浆外加剂中的CH残留量。另外，硅粉也被引入到水泥浆中进行对比实验。
然而，值得注意的是，在水化过程中，水泥样品在高温条件下（高达200°C）会出现重量减轻现象，主要是由于地表水解吸现象以及C-S-H凝胶层和埃特林石脱水造成的水分损失。
而在约450-500°C时的重量损失则源自于CH的热分解，随后产生碳酸相和方解石。通过对TGA曲线的分析，可以直接计算出试样中的CH含量。
在硅粉和水泥浆料中掺入纯正的n-SiO，对水化过程中CH含量的影响是引人注目的。初期水化时，普通水泥浆体的CH含量约为4.4%，而硅粉掺入的水泥浆体的CH含量降低至2.3%，而正SiO2掺入膏体的CH含量仅有0.5%。
然而，在水化过程中，CH持续生成，在3、7和28天时，在普通水泥浆中分别达到7.7%、12.8%和20.3%。相比之下，硅粉掺入水泥浆料后，16天时CH含量仅为3.28%。而正硅氧化物2与普通和硅粉掺入水泥浆相比，对CH的抑制效果更为显著，水化28天时仅有8.5%的CH含量。
根据XRD分析，发现在添加n-SiO后，CH峰几乎消失，这种现象在普通和硅粉掺入水泥浆中同样存在。因此，可以推断n-SiO2在水化过程中与产生的CH发生反应，导致了CH含量的明显降低
在胶凝材料的应用中，n-SiO（纳米二氧化硅）的火山灰反应性成为一项备受关注的研究课题。其在早期水化过程中显著提高了反应性，引发了胶凝体系微观结构的积极变化。最终，这种新的改善措施使得胶凝材料在耐久性和力学性能方面得到了增强。
在一系列实验中，研究人员对普通水泥浆、硅粉以及掺入n-SiO的水泥浆进行了SEM显微照片的拍摄，并分别观察了7天和28天的水化反应。
实验结果揭示，在普通水泥浆体和硅粉掺入水泥浆体的微观结构中，C-S-H凝胶与CH的针状和板状水合物同时存在。而C-S-H凝胶周围沉积的CH则均匀分布在整个水泥相中。
当添加了n-SiO的水泥浆体时，微观结构的变化变得更加显著。水合产物的形成变得更加致密，与之前的水泥体相比呈现出明显不同的特征。尤为引人注目的是，CH的针状晶体在n-SiO的引导下已不再存在，这表明n-SiO的引入有效地抑制了CH的生成。
三、结论在合成纳米二氧化硅颗粒方面，可以采用乙醇中TEOS的水解反应和氨的溶胶-凝胶法。通过添加跨度20、跨度40和跨度60的表面活性剂，可以有效地控制纳米二氧化硅的粒径大小。
此外，纳米二氧化硅的粒径还与反应体系的pH值密切相关，随着pH值的增加，粒径也随之增加。经过SEM、XRD和TGA的研究发现，添加n-SiO2后，在水化的早期阶段，它与水泥反应并形成额外的C-S-H凝胶，从而减少了水泥中的氢氧化钙（CH）的浸出。
实验结果显示，正SiO2掺入的水泥浆在89天时CH含量减少约1%，而在60天时减少约28%。因此，适量添加n-SiO2显著改善了胶凝材料的形貌和矿物学特性，为胶凝材料的性能提升提供了新的途径。
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