Лако-красочные материалы — производство

Визуальный дисперсионный анализ проводится только при ис­следовании чрезвычайно грубодисперсных систем, как, напри­мер, при классификации щебня по размерам. С помощью крон­циркуля и других измерительных приспособлений можно изме­нять размеры частиц, которые составляют не менее 5 мм. В то же время световой микроскоп позволяет исследовать частицы размером не более 0,5 мм. Таким образом, пределы дисперсно­сти, измеряемой визуально и с применением оптических мето­дов, не перекрываются. Для исследования промежуточной обла­сти дисперсности (от «0,5 до 5,0 мм) приходится обращаться к другим методам. Например, для анализа порошков используют ситовой анализ. Иногда можно применять обычную лупу, даю­щую увеличение примерно до 20Х. Из всех оптических методов только световая и электронная микроскопия позволяет исследо­вать наиболее широкий круг дисперсных систем как по дисперс­ности, так и по агрегатному состоянию фаз.

Разрешающая способность световой микроскопии определя­ется уравнением:

Где D — разрешение микроскопа; Я — длина волны света; п—коэффициент преломления среды, в которой находится линза объектива; а — половина угла
апертуры (угла между крайними лучами светового конуса, попадающего в оптический прибор) при заданном расстоянии между осветителем и объек­тивом; к— постоянная, определяемая условиями освещения.

В соответствии с уравнением (V. 1) при исследовании образ­цов, частицы которых имеют размеры <0,5 мкм, их необходимо освещать лучами с более короткими длинами волн, чем у свето­вых лучей. Вторая возможность увеличения разрешающей спо­собности световых микроскопов — использование оптической системы с большой численной апертурой (произведение л sin а). Чтобы увеличить апертуру, пространство между объективом и объектом заполняют средой с большим коэффициентом прелом­ления (часто применяют кедровое масло). Применение ультра­фиолетового света и изменение апертуры позволяют снизить нижний предел разрешающей способности микроскопа доЮОнм и менее.

Принципиальная бптическая схема светового микроскопа представлена на рис. V. la. Обычный световой микроскоп пред­ставляет собой двухступенчатый оптический увеличитель. В нем имеется система линз, называемая объективом 4, которая про­ектирует увеличенное изображение объекта 3. Промежуточное изображение 5 увеличивается другой системой линз — окуля­ром 6, через который ведет наблюдение исследователь. Объектив и окуляр размещены в тубусе микроскопа на одной оптической оси. Для устранения нежелательных дифракционных эффектов и обеспечения должной разрешающей способности предназна­чена система линз конденсора 2, с помощью которого световой поток от лампы 1 концент­рируется в плоскости иссле­дуемого объекта. Конечное изображение 7 фиксируется на фотопластинке 8.

Методы световой микро­скопии классифицируют по способам освещения объек­тов исследования. Освеще­ние в проходящем свете применяется при рассмотре­нии деталей тонких объек-

Рис. V. I. Схема хода лучей в све­товом (а) и электронном (б) микроскопах:

1 — источник света; 2— конденсорные — линзы; 3 — исследуемый объект; 4 — Лннзы объектива; 5 — промежуточное изображение; 6 — проекционные линзы (окуляр); 7 — конечное изображение; 8 — фотопластинки; 9 и 10 — катод и анод электронной душки
Тов, которые должны быть или окрашенными, или если они не поглощают света, отличаться по показателю преломления от той среды, в котроую помещены, хотя бы на 0,1. Для исследования многих объектов лучше применять микроскопию с использова­нием падающего света (в отраженном свете). Для исследования непрозрачных объектов это единственно возможный метод. Бо­ковое освещение является особенностью ультрамикроскопиче­ских методов, основанных на рассеянии света. Рассеяние све­та— явление, специфичное для ультрамикрогетерогенных си­стем; оно рассматривается в последующих разделах.

С помощью световой микроскопии проводят дисперсионный анализ порошков, суспензий, определяют линейные размеры зе­рен, кристаллов, пор, трещин в твердых материалах (в дисперс­ных системах «твердое в твердом»).

При микроскопическом исследовании в проходящем свете применяют иммерсионные препараты или тонкие прозрачные шлифы материала, а в отраженном свете — полированные шли­фы. Для приготовления иммерсионного препарата пробу порош­ка или суспензии помещают между предметным и покровным стеклами и под покровное стекло вводят каплю иммерсионной жидкости, которая смачивает порошок. Прозрачный шлиф пред­ставляет собой тонкий слой материала (0,015—0,03 мм), кото­рый вклеивают с помощью пихтового бальзама между предмет­ным и покровным стеклами. Полированные шлифы — это плас­тинки материала («2—20 мм), одна плоскость которых тща­тельно отполирована.

Определение размеров частиц с помощью микроскопа можно проводить прямым измерением, методом сравнения, методом счета и др. Для проведения прямого измерения обычно пользу­ются окуляр-микрометром. Он представляет собой круглую стеклянную пластинку, на которой нанесена шкала с делениями. Наиболее точные окуляр-микрометры имеют интервал между штрихами в 50 мкм. При абсолютных измерениях окуляр-микро — метр предварительно калибруют относительно применяемых оп­тических линз и для каждой длины тубуса микроскопа. Измере­ния удобно проводить и по фотографиям, полученным путем микрофотографирования и фотоувеличения изображения объ­екта.

Для дисперсионного анализа порошков и суспензий широко используется полуколичественный метод сравнения. На предмет­ное стекло наносят контрольный образец с известным размером частиц, затем на него помещают препарат исследуемой суспен­зии. Частицы образцов должны находиться в одной оптической плоскости. Анализ дисперсности сводится к определению отно­шения размеров контрольной и исследуемой частиц.

Метод счета обычно применяется в том случае, если частицы очень малы и точно определить их размеры не представляется
возможным. Метод состоит в подсчете числа частиц п при из­вестной их общей массе т в пробе н плотности вещества час­тиц р. Допускается, что частицы имеют форму сферическую (ра­диусом г) или кубическую (с размером ребра I). Расчет прово­дят, исходя из уравнений

3/

3Т

И

3

При микроскопическом анализе к препарату порошка или суспензии предъявляются следующие требования: I) он не дол­жен содержать такое большое число частиц, чтобы контуры их изображения накладывались; 2) в препарате должно быть до­статочно частиц, чтобы проба была представительной, т. е. в полной мере отражала состав исследуемой системы; 3) частицы должны находиться в одной оптической плоскости; 4) при при­готовлении препарата не следует допускать седиментационного разделения системы, в противном случае проба не будет пред­ставительной.

Для дисперсионного анализа широко используется электрон­ная микроскопия. Ее теоретические основы во многом сходны с теорией световой микроскопии. Как показывает уравнение (V. I), увеличение разрешающей способности микроскопа можно обес­печить уменьшением длины волны лучей, освещающих образец. Для достижения наибольшей разрешающей способности вместо световых лучей в электронном микроскопе используют поток электронов. Длина волны движущейся частицы по де Бройлю составляет

X=h/(mv) (V.3)

Где А,— постоянная Планка; т — масса частицы; V — скорость движения, частицы.

Для электронов, движущихся ускоренно под действием раз­ности потенциалов U, длина волны (в нм) определяется соотно­шением:

Ь«1,23/U’l’ (V.4)

Так, при разности потенциалов 50 кВ (что обычно применяется на практике) длина волны электронов соответствует 0,54- • Ю-2 нм. Теоретически достижимое оптимальное разрешение электронного микроскопа составляет примерно 0,5—1,0 им. В практической электронной микроскопии достигают разрешения порядка 5,0—10,0 нм, которое рассматривают как удовлетвори­тельное среднее значение. Обычно увеличение составляет от 5000 до 50 000 диаметров образца, а последующее оптическое
фотоувеличение равно от 5 до 10. Человеческий глаз в среднем может легко различить длину 0,2—0,5 мм, поэтому детали раз­мером порядка 5,0 нм можно рассмотреть на качественной электронной микрофотографии с увеличением примерно 200 000.

Устройство электронного микроскопа (рис. гАб) в основном аналогично устройству обычного светового микроскопа. В элект­ронном микроскопе вместо оптических проекционных линз (оку­ляра), оптического конденсора, объектива светового микроскопа применяются специальные электростатические или электромаг­нитные проекционные линзы 6, конденсоры 2 и объективы 4. В качестве источника электронов используется электронная пуш­ка, дающая пучок электронов, ускоряемых электростатическим полем с разностью потенциалов от 30 до 100 кВ.

Поскольку электроны даже при сообщенной им энергии мо­гут пройти в воздухе при нормальном давлении расстояние все­го лишь 0,2 мм, в электронном микроскопе поддерживается вы­сокий вакуум (остаточное давление должно быть менее 1- •10-3 Па).

Наиболее широкое распространение получила просвечиваю­щая электронная микроскопия. Поток электронов, попадая на образец, частично поглощается им в зависимости от природы, плотности и толщины исследуемого образца, а затем полученное электронное «изображение» проходит две ступени увеличения и проецируется на флюоресцирующем экране либо регистрируется на фотопластинке.

Для получения качественного изображения применяют образ­цы очень малой толщины, которые наносят на тонкие подложки из аморфного материала. Увеличение толщины образца не толь­ко ухудшает качество фотографии, но и может привести к его термодеструкции. Очень часто наблюдают не сами объекты, а пользуются репликами (пленки-отпечатки). Метод реплик яв­ляется косвенным методом изучения микрорельефа поверхности. В качестве материала для реплик используют формвар, вещест­ва типа коллодия и оксид Si02(Si0), конденсированный в высо­ком вакууме из паровой фазы. Для усиления контрастности изо­бражения обычно проводят оттенение реплик — напыление на них слоя тяжелых металлов (уран, палладий, золото, хром, ни­кель). Напыление проводят путем возгонки металла при высо­ком вакууме; на реплику наносят два — три атомных слоя.

При определении формы и размеров частиц (от 5 до 500 нм) получают ряд фотографий, регистрирующих несколько сотен частиц. С помощью измерительного оптического микроскопа по этим фотографиям определяют размеры частиц. Затем строят гистограммы и, используя методы математической статистики, определяют основные параметры распределения частиц по раз­мерам. Разработаны различные автоматические и полуавтома­тические приспособления, позволяющие измерять размеры час­тиц на фотографии и сразу получать информацию о гистограмме на печатающем устройстве. Применение ЭВМ совместно с уст­ройством, определяющим размеры частиц, дает возможность по­лучить сведения непосредственно о типе распределения и его числовых характеристик.

Существенный недостаток электронной микроскопии состоит в том, что образец нельзя наблюдать в динамических условиях, он должен высохнуть или вообще оставить только отпечаток на реплике. Поэтому по1 возможности следует применять и элект­ронную, и световую микроскопию, которые дополняют друг дру­га. Например, рост кристалликов новой фазы можно наблюдать в световой микроскопии, а тонкие детали их поверхности можно исследовать с помощью электронного микроскопа.