Оптическая Микроскопия в исследовании структуры полимерных композиционных материалов

Метод интерференционного контраста

Данный метод, иначе называемый интерференционной микроскопий, состоит в том, что каждый луч, входящий в М., раздваивается; один из полученных лучей направляется сквозь наблюдаемую частицу, а второй — мимо неё по той же или дополнительной оптической ветви М. В окулярной части М. оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой. Результат интерференции определяется разностью хода лучей, выражаемой формулой: = N = (по— nm) d, (6)где n0, пт— показатели преломления частицы и окружающей среды, d— толщина частицы, N — т. н. порядок интерференции, - длина волны света. Принципиальная схема одного из способов осуществления интерференционного контраста показана на рис.

11. Конденсор 1 и объектив 4 снабжены двоякопреломляющими пластинками (помечены на рис. диагональными стрелками), первая из которых расщепляет исходный световой луч на два луча, а вторая воссоединяет их. Один из лучей, проходя через объект 3, запаздывает по фазе (приобретает разность хода по сравнению со вторым лучом); величина этого запаздывания измеряется компенсатором 5.Рис.

1.11. Схема исследования препарата методом интерференционного контраста (пояснения в тексте) Метод интерференционного контраста в некоторых отношениях сходен с методом фазового контраста — оба они основаны на интерференции лучей, прошедших через микрочастицу и миновавших её. Как и фазово-контрастная микроскопия, этот метод позволяет наблюдать прозрачные и бесцветные объекты, но их изображения могут быть и разноцветными (интерференционные цвета). Отличие интерференционного метода от метода фазового контраста заключается главным образом в возможности, используя компенсаторы, с высокой точностью (до 1/зоо ) измерять разности хода, вносимые микрообъектами. Это открывает широкие возможности количественных исследований — на основании таких измерений могут быть рассчитаны общая масса и концентрация сухого вещества в микрообъекте (например, в растительной или животной клетке), показатель преломления и размеры объекта (рис. 7). Метод интерференционного контраста часто сочетают с другими методами микроскопии, в частности с наблюдением в поляризованном свете; применение его совместно с микроскопией в ультрафиолетовых лучах позволяет, например, определить содержание нуклеиновых кислот в общей сухой массе объекта. К интерференционной микроскопии обычно относят также методы использования микроинтерферометров. Метод исследования в свете люминесценции Люминесцентная микроскопия основывается на наблюдении под микроскопом зелено-оранжевогосвечения микрообъектов, возникающего при освещении их сине-фиолетовым светом, либо не видимыми глазом УФ лучами.

При этом методе в оптическую схему микроскопа вводятся два светофильтра. Первый помещается перед конденсором и пропускаетот источника-осветителя излучение только длин волн, возбуждающих люминесценцию либо самого объекта (собственная люминесценция), либо специальныхвведённых в препарат красителей, поглощённых его частицами (вторичнаялюминесценция). Второй светофильтр устанавливается после объектива, пропускает к глазунаблюдателя (или на фоточувствительный слой) только свет люминесценции. Влюминесцентной микроскопии используют как освещение препаратов сверху (черезобъектив, который в этом случае служит и конденсором), так и снизу, через обычныйконденсор. Наблюдение при освещении сверху иногда называют «люминесцентноймикроскопией в отражённом свете» (этот термин услове возбуждение свеченияпрепарата не является простым отражением света); его часто сочетают с наблюдением по фазово-контрастному методу в проходящем свете. Данный метод широко применяется. в микробиологии, вирусологии, гистологии, цитологии, в пищевой промышленности, при исследовании почв, в микрохимическом анализе, в дефектоскопии. Обилие и разнообразие применений связаны с чрезвычайно высокой цветовой чувствительностью глаза и высокой контрастностью изображения самосветящегося объекта на тёмном нелюминесцирующем фоне, а также ценностью информации о составе и свойствах исследуемых веществ, которую можно получить, зная интенсивность и спектральный состав их люминесцентного излучения. ГЛАВА 2 ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ В ИССЛЕДОВАНИИ СТРУКТУРЫ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВИзучено влияние технологических параметров (времени и скорости смешения компонентов) на фазовую структуру эмульсий на основе полиизоцианата и водных растворов силикатов натрия. Структура жидких связующих изучена методом оптической микроскопии на микроскопе Axioskop 40 APol при увеличении 500х и 1000х.

Скорость смешения варьировалась от 500 до 1500 об/мин, время смешения — от 1 до 5 мин. Выявлены диапазоны времени и скорости смешения компонентов, способствующие получению однородных тонкодисперсных эмульсий[1]. Методом оптической микроскопии было установлено, что в жидком состоянии модифицированные органо-неорганические связующие представляют собой двухфазные микрогетерогенные эмульсии. Дисперсионной средой является органический олигомерполиизоцианат, а дисперсные частицы сферической формы представлены неорганическим компонентом — водным раствором силиката натрия (рис. 2.1).Рис. 2.1 Микрофотография эмульсии ПИЦ — ПН при увеличении 1000хНа первом этапе работы было изучено влияние скорости смешения на технологические свойства гибридных связующих (вязкость, время гелеобразования, время отверждения при тепловой обработки).

Были выбраны 4 скоростных режима приготовления связующих — 500 об/мин, 800 об/мин, 1200 об/мин и 1500 об/мин. На рисунке 2.2 показаны зависимости вязкости органо-неорганических связующих от времени после приготовления (при различных скоростях смешения).Рис. 2.2 Зависимость вязкости связующих от скорости смешения с течением времени

Из графика 2.2видно, что вязкость с течением времени увеличивается, а с увеличением скорости — уменьшается. При низких скоростях смешения (500 об/мин и 800 об/мин) образуются неоднородные системы, проявляющие склонность к расслоению, то же самое наблюдается и при малом времени смешения (1−2 мин).Для приготовления гибридного связующего без модификатора оптимальная скорость смешения составляет 1500 об/мин, время смешения — 3 мин (рис. 2.3). Из гистограммы видно, что значительное количество частиц дисперсной фазы находится в диапазоне от 0 до 2 мкм, частиц более 10 мкм в системе нет.

смешения — 1500 об/мин, время смешения — 3 мин).

Введение

модифицирующих добавок из числа ПАВ (С-3 и АРОС) приводит к снижению оптимальной скорости смешения компонентов до 1100−1200 об/мин, что следует об увеличении площади поверхности и снижении межфазного натяжения (рис. 2.4, рис. 2.5). При введении 0,3 масс.

% С-3 около 85% частиц дисперсной фазы имеют размер от 0 до 2 мкм. При введении 0,2 масс. %

АРОС более 85% частиц дисперсной фазы имеют размер от 2 до 10 мкм. При дальнейшем увеличении скорости смешения наступает быстрое гелеобразование, что делает связующее менее технологичным (рис.

2.6).Рис. 2.3 — Микрофотография эмульсии ПИЦ — ПН при увеличении 500х (скорость Рис. 2.4 — Микрофотография эмульсии ПИЦ — ПН с С-3 при увеличении 500х (скорость смешения — 1100 об/мин, время смешения — 3 мин) Рис. 2.5 — Микрофотография эмульсии ПИЦ — ПН с АРОС при увеличении 500х (скорость смешения — 1200 об/мин, время смешения — 3 мин) Рис.

2.6 — Микрофотография эмульсии ПИЦ — ПН с С-3 при увеличении 500хВведение кремнезоля и алюмозоля практически не влияет на средний размер частиц дисперсной фазы. При их введении оптимальная скорость смешения составляет 1500 об/мин, время смешения — 3 мин (рис. 2.7, рис. 2.8). При введении 0,3 масс. % кремнезоля и алюмозоля

80% частиц дисперсной фазы находится в диапазоне от 0 до 2 мкм. Дальнейшее увеличение скорости и времени смешения не влияет на размер частиц дисперсной фазы.Рис. 2.7 — Микрофотография эмульсии ПИЦ — ПН, модифицированной кремнезолем, при увеличении 500х, (скорость смешения — 1500 об/мин, время смешения — 3 мин) Рис. 2.8 — Микрофотография эмульсии ПИЦ — ПН, модифицированной алюмозолем, при увеличении 500х (скорость смешения — 1500 об/мин, время смешения — 3 мин) В [3] работе исследована трансформация надмолекулярной структуры политетрафторэтилена при введении ультрадисперсной керамики обусловлена влиянием твердой поверхности частиц наполнителя на подвижность макромолекул и образованием в граничной области адсорбированных слоев полимера.

В результате структурообразование полимера протекает по-разному в объеме полимерного связующего и вблизи фазовой границы в зависимости от концентрации наполнителя. Исследования структуры политетрафторэтилена, модифицированного ультрадисперсной керамикой, методом оптической микроскопии (рис. 2.9−2.13) показали, что введение керамических частиц с развитой удельной поверхностью (50—200 м2/г) вызывает существенное изменение процесса кристаллизации и приводит к образованию надмолекулярных структурных элементов, нехарактерных для исходного полимера[4]. Рис. 2.9 — Микрофотографии сколов образцов политетрафторэтилена (ПТФЭ)Рис.

2.10 — Микрофотографии сколов образцов ПТФЭ+SiO2Рис. 2.11- Микрофотографии сколов образцов ПТФЭ+ Al2O3Рис. 2.12 — Микрофотографии сколов образцов ПТФЭ+TiO2. В работе объектами для структурных исследований служили низкотемпературные хрупкие сколы полимерных композитов, полученные при температуре жидкого азота. Частицы ультрадисперсной керамики являются центрами кристаллизации, на основе которых вырастают структурные образования в форме симметричных многогранников. В отличие от известных композитов, содержащих традиционные наполнители типа кокса и дисульфида молибдена, структура композиционных материалов с ультрадисперсной керамикой более совершенная, мелкосферолитная, с высокой плотностью упаковки структурных элементов [5−6]. Так, например, структура композита, содержащего оксид алюминия, с высокой удельной поверхностью (200 м2/г), а следовательно, и с большой поверхностной активностью, построена из совершенных надмолекулярных элементов одинакового размера и небольшого диаметра (17—20 мкм).

Формирование сферолитов в политетрафторэтилене подтверждается данными исследования методом оптической микроскопии в поляризованном свете [7]. Для исследования микроскопических срезов образцов наполненных техническим углеродом полимерных композиционных материалов разработана методика текстурного анализа, основанная на анализе черно-белого изображения. Изображение делилось на квадратные площадки размером 96 пикселей, что соответствовало усредненной величине зон матрицы, в которую не проникает дисперсный наполнитель. В каждом квадрате определялось число черных и белых пятен [2]. Был выявлен параметр, чувствительный к изменению величины электрического сопротивления композиционных материалов — энтропия текстурного признака. В данной работе поставлена задача анализа возможностей развития методики текстурного анализа [2] для выявления дополнительных параметров, чувствительных к изменению величины электрического сопротивления композиционных материалов. Особенно сложными для распознавания являются изображения образцов материалов с высоким содержанием дисперсного наполнителя. Поэтому исследования проводились на образцах высоконаполненных полимеров с дисперсным наполнителем двух мало отличающихся по дисперсности марок (ПМ-100 и ПМЭ- 100В) — рис. 2.13−2.

16.Рис. 2.13 — Микрофотографии образцов высоконаполненных полимеров. Наполнение 80 весовых частиц наполнителя на 100 весовых частиц полимера. Наполнитель: техуглерод марки ПМ-100; Полимерная матрица: бутадиен-метилстирольный каучук (СКС-30АРК)Рис. 2.14 — Микрофотографии образцов высоконаполненных полимеров. Наполнение 80 весовых частиц наполнителя на 100 весовых частиц полимера. Наполнитель: техуглерод марки ПМ-100; Полимерная матрица: натуральный каучук

Рис. 2.15 — Микрофотографии образцов высоконаполненных полимеров. Наполнение 80 весовых частиц наполнителя на 100 весовых частиц полимера. Наполнитель: техуглерод марки ПМЭ-100 В. Полимерная матрица: бутадиен-метилстирольный каучук (СКС-30АРК)Рис. 2.16 — Микрофотографии образцов высоконаполненных полимеров. Наполнение 80 весовых частиц наполнителя на 100 весовых частиц полимера. Наполнитель: техуглерод марки ПМЭ-100 В. Полимерная матрица: натуральный каучук

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Свойства полимерных композиционных материалов во многом определяются их структурой. Для получения материала с заданными свойствами следует формировать его структурные параметры, обеспечивающие необходимый комплекс эксплуатационно-технических характеристик. Традиционно структуру материалов изучают на трех уровнях: на макроуровне (макроструктура — строение материала, видимое невооруженным глазом); микроуровне (микроструктура — строение, видимое через микроскоп); на молекулярно-ионном уровне (физико-химические методы исследования — электронная микроскопия, термография, рентгеноструктурный анализ и др.).Различают следующие типы макроструктуры твердых строительных материалов: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая и рыхлозернистая (порошкообразная). Структура материала определяет его механическую прочность, твердость, теплои термостойкость, теплопроводность и другие характеристики. Использование микроскопии для контроля качества материалов важно как для практических, так и для научных целей. С помощью методов непосредственного наблюдения — методов микроскопии — может быть решена одна из фундаментальных проблем в исследовании синтетических материалов — установление соответствия между структурой и свойствами. Существует три основных метода: световая оптическая микроскопия, трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ), растровая (или сканирующая) электронная микроскопия (РЭМ или СЭМ). Методы различаются сферами применения, определяемыми разрешением микроскопа. Оптический микроскоп может измерять структуры размерами около 0,4 мкм, РЭМ — до 0,01 мкм, а ТЭМ — до 0,0001 мкм.

352−353. Световая микроскопия сегодня чаще всего использует поляризованное излучение, поскольку кристаллизация и ориентация обусловливают эффект двойного лучепреломления. В частности, для получения информации об упорядоченном состоянии надмолекулярных образований предлагается.

использовать экспериментальную зависимость рассеяния поляризованного света от величины угла рассеяния.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Гюль

В.Е., Кулезнев

В.Н. Структура и механические свойства полимеров. Изд. 2-е, перераб. и доп. Учеб.

пособие для вузов. — М.: Высш. школа, 1972. — 320 с. Старовойтова И. А., Хозин

В.Г., Пилипенко Н. А., Халикова

Р.А. Влияние модифицирующих добавок на свойства гибридных связующих на основе полиизоцианата и полисиликата натрия // Известия КГАСУ, 2011, № 2 (16). — С. 229−234.Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов. 2-е изд., перераб.

и доп. — М.: Химия, 1988. — 464 с: ил. Фридрихсберг

Д.А. Курс коллоидной химии. Учеб.

для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1984. — 368 с, ил. Гельфман

М.И., Ковалевич О. В., Юстратов В. П. Коллоидная химия. 4-е изд., стер. -СПб.: Издательство «Лань», 2008. — 336 с: ил. Гуль

В.Е., Шенфиль

Л.З. Электропроводящие полимерные композиции. — М.: Химия, 1984. — 240 с. Минакова Н. Н., Ушаков В. Я. Физико-технические основы создания высоконаполненных эластомеров и управления их рези-стивными свойствами. — М.: Энергоатомиздат, 2003. ;

260 с. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. — Кн. 2.

— 480 с. Абдрахманова А. Х., Шмакова О. П., Нефедьев Е. С. Элементы квантовой оптики и атомной физики. -

М.: Книжный дом Университет, 2006

Алферов Ж. И. Двойные гетероструктуры: концепция и применение // Успехи физических наук. — 2002. — Т.

172. — № 9. — 19 с.

Андриевский Р. А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы // Российский химическийжурнал. — 2002. — Т. 46.

— № 5. — C. 50−56. Андриевский Р. А., Рагуля А.

В. Наноструктурные материалы. — М.

: ИЦ «Академия», 2005. — 192 с. Астахов А. В., Широков Ю. М. Курс физики.

— М.: Наука, 1977−1981. — Тт. I-III. Ахманов С.

А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. — М.: МГУ; Наука, 2004

Бахтизин Р. З. Сканирующая туннельная микроскопия — новый метод изучения поверхности твердых тел // Соросовскийобразовательныйжурнал. — 2000. — Т. 6.

— № 11. Быков В. П. // Квантовая электроника.

— 1974. — Т. 1. — №

7. — C. 1557−1577

Валиев Р. З., Александров И. В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. — М. :

Логос, 2000. — 272 с. Волькенштейн В. С. Сборник вопросов и задач по общей физике. -

М.: Высшая школа, 1991

Гаврилов С. А., Лемешко С. В. и др. Исследования особенностей процесса локального окисления пленок титана с использованием сканирующей зондовой микроскопии // Изв. вузов. Электроника.

— 2000. — № 3.

— C. 27−33.Герасименко Н. Н. Наноразмерные структуры в имплантированных полупроводниках // Российский химическийжурнал. — 2002. -

Т. 46. — № 5.

— C. 30−41. Головин Ю. И.

Введение

в нанотехнологию. — М.

: Машиностроение-1, 2003. — 112 с. Голубев В. Г. Трехмерно-упорядоченные композиты опалполупроводник: получение, структурные и фотонные свойства.

http://link.edu.ioffe.ru/winter/2002/main/golubev. Голубь Б. И., Котюк А. Ф., Кузин А. Ю. Основы обеспечения единства оптико-физических измерений. — М.: Горячая Линия-Телеком, 2006

Гусев А. И., Ремпель А. А. Нанокристаллические материалы. — М. :Физматлит, 2000. — 224 с.