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弛豫时间分析法用于水凝胶性能分析

 水凝胶时一类极为亲水的三位网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。水溶性或亲水性高分子，可通过一定的化学交联或物理交联，形成水凝胶。作为一种高吸水高保水材料，水凝胶被广泛用于多种领域，如：干旱地区的抗旱，在化妆品中的面膜、镇痛贴、 农用薄膜、建筑中的结露防止剂、调湿剂、石油化工中的堵水调剂，原油或成品油的脱水，在矿业中的抑尘剂，食品中的保鲜剂、增稠剂，医疗中的药物载体等。

通过弛豫时间分析法，可对水凝胶样品的吸水过程、水分分布、水凝胶的结构性能进行多元分析。

样品信息：

水凝胶成分：主要成分为聚丙烯酰胺，其它添加剂成分包括戊二醛、聚多巴胺等。

样品1与样品2为不同工艺制造的水凝胶。

样品处理：

分别制备样品1和样品2的水和样品质量比为30%、60%、一百%、200%、饱和状态下的样品，开展弛豫时间测量。

表1： 用于核磁共振弛豫信号检测样品的编号和质量信息

注：*该样品在吸水饱和后重新切割后获得，其质量已根据原始样品进行等比例换算。

图1： 样品1的六块小样品（左起依次为1-0、1-30、1-60、1-100、1-200、1-SA）

图2：样品2的六块小样品（左起依次为2-0、2-30、2-60、2-100、2-200、2-SA）

仪器信息：

MAGMED-LFTDNMR-2210磁共振分析仪（MAGMED-Cores HP20L）

数据结果：

1. CPMG原始信号：

图3：样品1、样品2的CPMG信号

2. 弛豫时间分布：

图4：样品1弛豫时间分布

图5：样品2弛豫时间分布

图6：样品1、样品2在不同水样比下的弛豫时间分布对比

图7：样品1和样品2弛豫时间分布大致分为5个峰，从左至右分别为第1、2、3、4、5谱峰

数据分析：

1. 对CPMG信号的First数据点（首点幅值）和水样比进行一元线性回归分析，发现样品的弛豫信号与水样比有着非常好的线性关系。基于此，可得：通过对不同含水状态的样品进行弛豫时间的测量，可准确获得样品的含水量信息。

图8 水凝胶水样比与弛豫信号的关系

2.从图4-图6弛豫时间分布上看，样品1和样品2具有相似额的弛豫时间分布特征，随着样品吸水量的增加，弛豫时间分布逐渐整体右移。

3. 图7中，弛豫分布的First谱峰逐渐右移的主要原因可能是，随着样品吸水量的增加，水凝胶样品内聚合物的交联强度逐渐降低，样品中的氢原子核之间的距离增加，其自旋受到其他自旋磁场的影响程度也随之降低，导致弛豫时间有所增加。

图9 样品1、样品2First谱峰累加值

4. 图7中，相较于未饱和样品的First谱峰，饱和样品的First谱峰位置明显偏右，其对应的弛豫时间与未饱和样品的第二个谱峰相当。原因可能如下：

a.饱和样品中含水量较大，由于使用了较低的增益，样品的固有信号淹没在噪声信号中，通过反演无法获得First谱峰不是样品本身信号，而是水峰信号；

b.或者，饱和样品内的聚合物交联强度进一步降低，样品内聚合物的弛豫时间与束缚水弛豫时间相似，在一维反演谱上呈现在同一谱峰内，无法进行精确区分。

5. 从图7中，样品吸水后，弛豫时间分布多出若干水峰信号（第2至第5谱峰），其中：

a. 第2谱峰（2ms左右的水峰信号），从磁共振技术原理分析，该谱峰代表的是束缚强度较大的水分信息，即强力束缚水。该谱峰在样品吸水后立即出现，且随着水分含量的增加，谱峰面积（累加值）趋于稳定。可推断：样品吸水后，水分先以强力束缚水的形式贮存在样品中，同时从水分分布角度看（谱峰面积），说明对应的孔隙结构（小孔）吸水能力较弱，很容易达到吸水饱和的状态。

b. 第3谱峰（10ms左右的水峰信号），从磁共振技术原理分析，该谱峰代表的是束缚强度一般的水分信息，即一般束缚水。该谱峰对应的孔隙结构具有较好的吸水能力，容易看出，随着吸水量的增加，这些谱峰的面积（累加值）逐渐增加，即水分被这些孔隙吸收。且这些孔具备很好的弹性，可认为是水凝胶样品主要的储水场所。

c. 第4谱峰（80ms）左右的水峰信号，从磁共振技术原理分析，该谱峰代表的是束缚强度较小的水分信息，即相对自由水。该谱峰对应的孔隙结构储水能力一般，随着样品吸水程度的增加，其谱峰面积（累加值）有一定的增加，但相较于第三谱峰很小。其中，样品1饱和样中的第四谱峰与第三谱峰和第五谱峰出现较大叠加，导致第四谱峰的面积较大，需进一步验证。

d. 第5谱峰（200ms左右的水峰信号），该谱峰代表全部自由水信号（Bulk water），同时在饱和样品外表面有肉眼可见的水分（如图1、2所示），其谱峰面积（累加值）在凝胶样品前几个谱峰达到包和前均缓慢增加。可以预见，在前几个谱峰达到饱和后会迅速增加。

综上，水凝胶中水分分布在四种“孔隙”结构中，在吸水过程中水，水分会首先被“最小孔隙结构”吸收，然后主要由第3谱峰和第4谱峰对应的“孔隙结构”吸收，在上述三个孔隙结构充满水后，水分主要会以自由水的形式存储在水凝胶样品中。

6. 样品饱和时，两组样品的弛豫分布有一定差异。在样品1中，除样品峰外，其他水峰会变成一个复杂峰，无法用于全部区分不同水分分布的情况；而样品2中，各个谱峰仍有一定的可分辨性。该情况表明，样品2中的孔隙结构更加稳固，即使在样品饱和时也能够较好的保持各个孔壁的完整性，而样品1则会在饱和时形成较多的连通孔。