Грехов Исследование оптичес 2014

метода используют два вида оптических схем обработки сигнала: гомодинную и гетеродинную (рис. 1.12). В гомодинной схеме регистрируют интерференцию сигналов рассеянного излучения, и спектр мощности пропорционален квадрату интенсивности рассеянного излучения. В гетеродинной схеме рассеянное излучение «смешивают» с отраженным от поверхности образца опорным сигналом с «несдвинутой» частотой. При этом мощность сигнала оказывается пропорциональной произведению интенсивностей рассеянного и опорного сигналов. Это позволяет регистрировать рассеянное излучение низкой мощности, что важно при исследовании частиц нанометровых размеров [14, 15].

Рис. 1.12. Гомодинная и гетеродинная схемы обработки рассеянного излучения

Выражения на рис. 1.12 определяют мощность излучения, соответствующую энергетическому спектру с частотой w, коэффициентом затухания Г, который является функцией длины волны (λ), угла рассеяния (θ), вязкости (η) и радиуса частиц (r).

21

II.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВОК

Исследование оптических свойств растворов наночастиц и полимеров проводится на лазерном анализаторе размеров частиц

Nanotrac Ultra 253 и турбидиметре Hach 2100AN (рис. 2.1, 2.2).

В приборе Nanotrac Ultra реализована гетеродинная оптическая схема (рис. 2.3). Монохромное излучение от лазерного источника (лазерный диод с длиной волны 780 нм) проходит через оптический делитель луча и по волноводу, заканчивающемуся сапфировым окном, направляется к исследуемой суспензии. В обратном направлении через оптический делитель проходят рассеянное частицами и отраженное от поверхности сапфировой линзы излучение, которые при «смешивании» создают на фотодетекторе флуктуирующий сигнал. После Фурьепреобразования сигнала и определения частотного спектра вычисляется распределение частиц по размерам [14, 15]. Большой индекс преломления сапфира обеспечивает отраженный сигнал высокой интенсивности и, соответственно, высокую чувствительность измерений. Слабый рассеянный сигнал собирается с глубины не более 100 мкм, и могут быть исследованы растворы с большой концентрацией частиц, так как исключаются эффекты многократного рассеяния [15].

22

Рис. 2.3. Оптическая схема (метод ссылки), используемая в приборе Nanotrac

Анализ броуновского движения частиц проводится методом определения спектра мощности и расчета обратного рассеяния на основе теории Ми для сферических частиц и частиц неправильной (игольчатой) формы. В приборе реализован контроль температуры образца и коррекция температурно-зависимых величин. Измерения, проводимые на Nanotrac, соответствуют стандарту ISO 13321 для анализа размеров частиц методом динамического рассеяния света (DLS) в суспензиях, эмульсиях в органических и неорганических растворителях. Диапазон измерений – 0,8 – 65000 нм, воспроизводимость – 1 % (для 100 nm polystyrene) в диапазоне концентраций от 0,1 ppm до 40 % масс. (для твердых частиц).

Лабораторный турбидиметр Hach 2100AN со сменными светофильтрами используется для измерений мутности, цветности, коэффициентов поглощения и пропускания для жидких сред и коллоидных систем. Мутность определяется методом измерения абсолютного и относительного значения интенсивности прошедшего и рассеянного излучения вольфрамовой лампы.

Оптическая система прибора состоит из лампы с вольфрамовой нитью, линз и апертур для фокусировки света, а также из детекторов рассеянного излучения, расположенных под углами 60, 90, 120 и 180° (рис. 2.4). Прибор может проводить измерения в двух режимах: при включенном режиме соотношения сигналов (RATIO ON) для измерений используются все детекторы, при выключенном режиме используется детектор света, рассеянного под углом 90º.

23

Рис. 2.4. Оптическая система турбидиметра Hach 2100AN

При включенном режиме Ratio величина мутности вычисляется по формуле

где T – мутность в единицах NTU, d1, d2, d3, d4 – калибровочные коэффициенты, I90 – ток нефелометрического детектора, It – ток детектора проходящего света, Ifs – ток детектора прямого рассеивания, Ibs – ток детектора обратного рассеивания. При низких уровнях мутности сигнал детектора прямого рассеяния мал и результат вычисляется как отношение сигнала нефелометрического детектора к сигналу детектора проходящего света. Единицы измерения прибора: NTU (0- 67000), EBC (0-2450), NEP, ABS, % T, цветность CU (0-500).

24

III.ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

3.1.Рабочее задание

1.Ознакомиться с прибором для анализа микрочастиц Nanotrac Ultra 253 и методикой получения функции распределения частиц по размерам.

2.Ознакомиться с прибором для измерения мутности: турбидиметр HACH 2100AN.

3.Приготовить образцы и провести измерение их оптических свойств.

4.Определить функцию распределения частиц по размерам и мутность исследованных образцов.

5.Исследовать влияние вязкости на рассчитанные параметры растворов наночастиц в растворах.

6.Рассчитать геометрические характеристики УНТ в растворах.

3.2.Порядок выполнения работы

3.2.1.Подготовка образцов

1. Приготовить раствор углеродных нанотрубок (УНТ) в хлороформе:

1.1.Рассчитать массу углеродных нанотрубок и хлороформа для получения раствора с заданной массовой концентраций УНТ (определяется преподавателем) и объемом не менее 80 мл.

1.2.Взвесить необходимое количество УНТ, предварительно измельченных в ступке, и необходимое количество хлороформа (результаты внести в табл. 3.1). Для хлороформа использовать стеклянную посуду с плотно завинчивающейся крышкой.

1.3.Добавить УНТ в хлороформ, плотно закрыв банку крышкой, и обработать полученный раствор в ультразвуковой ванне в течение 5 мин.

25

1.4.Разделить обработанный раствор на две части, одна из которых будет использоваться для разбавления, а другая – для дальнейшего смешивания с раствором полимера.

2.Приготовить раствор полимера в хлороформе:

2.1.Рассчитать количество полимера и хлороформа для получения раствора с заданной массовой концентрацией полимера (вид полимера и концентрация определяется преподавателем) и объемом не менее 80 мл.

2.2.Взвесить и смешать рассчитанное количество полимера и хлороформа (результаты внести в табл. 3.1). Поместить в раствор перемешивающий элемент, плотно закрыть емкость крышкой и поставить ее на платформу магнитной мешалки.

2.3.Разделить полученный раствор полимера на две части, одну из которых оставить для разбавления, а другую смешать с раствором УНТ. Вычислить полученную концентрацию УНТ и

Проведение измерений

1. Снять чехол с турбидиметра HACH 2100AN, включить его кнопкой на задней панели. При этом автоматически распечатается файл с датой и временем включения прибора. Турбидиметр должен прогреться в течение 30 мин для измерения с включенным расчетом соотношения сигналов.

26

2. Включить прибор Nanotrac Ultra кнопкой на задней панели прибора. При этом на передней панели загорится красная лампочка.

3.2.2.Измерения на Nanotrac Ultra

1.Запустить программу Microtrac Flex. В диалоговом окне программы выбрать Measure -> Select Instrument -> Nanotrac

(рис. 3.1). Откроется рабочее окно Nanotrac.

Рис. 3.1. Выбор прибора для проведения измерений

2. Создать новую базу данных для сохранения результатов измерений. В меню File выбрать Create New Database (рис. 3.2). В открывшемся окне Create Database в строке File name ввести название для новой базы данных и нажать Open.

Рис. 3.2. Создание базы данных для сохранения результатов измерений

3. На главной панели нажать кнопку SOP и в открывшемся окне нажать кнопку Options для настройки опций измерений

(рис. 3.3).

27

3.1. Во вкладке Identifiers ввести информацию об исследуемом образце:

Title (макс. 30 символов) – название эксперимента.

Notes (макс. 255 символов) – информация об образце (состав, предварительная подготовка и т.д.).

Рис. 3.3. Настройки измерения

3.2. Во вкладке Timing установить временные параметры сбора данных (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Установка временных параметров измерения

28

Setzero Time (от 10 с до 999 с) – длительность измерения фона задать 60 с (по умолчанию 30 с).

Run Time (от 10 с до 999 с) – длительность измерения образца задать 180 с (по умолчанию 30 с).

3.3. Во вкладке Analysis в разделе Particle Information ввести данные об исследуемых частицах (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Информации об исследуемых частицах

Particle Refractive Index – коэффициент преломления частиц (от 1,3 до 5). Информацию о коэффициенте преломления некоторых частиц можно получить, нажав кнопку Reference.

Transparency – тип взаимодействия с излучением (прозрачные или поглощающие).

Shape – форма измеряемых частиц (сферические или нерегулярные).

Density – плотность частиц (г/см .

New Particle Name – название измеряемых частиц.

3.4. Во вкладке Fluid Information ввести характеристики жидкой среды исследуемого образца (рис. 3.6).

Fluid Refractive Index – коэффициент преломления жидкости

(от 1,33 до 1,65).

High Temperature – максимальная температура.

29

Рис. 3.6. Характеристики жидкой среды исследуемого образца

High Temperature Viscosity – вязкость среды при максимальной температуре.

Low Temperature – минимальная температура.

Low Temperature Viscosity – вязкость среды при минимальной температуре.

Информацию о вязкости некоторых жидкостей можно получить, нажав кнопку Reference.

New Fluid Name – название измеряемой жидкой среды (макс.

20символов).

4.После установки параметров измерения в диалоговом окне

Measurement SOP Options нажать кнопки OK и Close.

5.В меню Measure выбрать With Save для автоматического сохранения результатов измерений в созданную базу данных.

6.Перед началом измерений необходимо определить уровень фонового сигнала от жидкости. Измеренный фон используется для определения сигнала, создаваемого частицами в образце. Выкрутить зонд из передней панели прибора. Поместить емкость с жидкостью (например с хлороформом) на подставку и опустить зонд в жидкость на глубину не менее 0,5 см, не касаясь дна емкости. Для измерения фонового сигнала нажать кнопку BKG на главной панели инструментов. Если значение фона в открывшемся

30