Kao jedan od najvažnijih karakterizacijskih parametaranano prah, veličina čestica izravno utječe na fizikalna i kemijska svojstva praha, a zatim utječe na performanse konačnog proizvoda. Stoga je njegova tehnologija detekcije važan alat za industrijsku proizvodnju i upravljanje kvalitetom te igra nezamjenjivu ulogu u poboljšanju kvalitete proizvoda, smanjenju troškova proizvodnje i osiguravanju sigurnosti i učinkovitosti proizvoda. Ovaj će članak krenuti od načela i usporediti tri uobičajene metode za detekciju veličine čestica praha: elektronsku mikroskopiju, lasersku analizu veličine čestica i metodu širine crte difrakcije X-zraka, te analizirati prednosti, nedostatke i primjenjivost različitih metoda ispitivanja veličine čestica .
1、 Metoda elektronske mikroskopije
Elektronska mikroskopija je tehnika mjerenja veličine čestica visoke razlučivosti, uglavnom podijeljena na transmisijsku elektronsku mikroskopiju (TEM) i skenirajuću elektronsku mikroskopiju (SEM).
Skenirajući elektronski mikroskop (SEM)
Snimanje pomoću skenirajuće elektronske mikroskopije koristi fino fokusirani snop elektrona visoke energije za pobuđivanje različitih fizičkih signala na površini uzorka, kao što su sekundarni elektroni, povratno raspršeni elektroni, itd. Ovi signali detektiraju odgovarajući detektori, a intenzitet signala odgovara na morfologiju površine uzorka. Stoga se slikanje točke po točke može pretvoriti u video signale za modulaciju svjetline katodne cijevi kako bi se dobila 3D slika morfologije površine uzorka. Zbog manje valne duljine elektronskog snopa, moguće je u većoj mjeri uočiti fine karakteristike/detalje materijala. Trenutačno skenirajuća elektronska mikroskopija može povećati slike objekata na stotine tisuća puta njihove izvorne veličine, omogućujući izravno promatranje veličine i morfologije čestica. Optimalna rezolucija može doseći 0,5 nm. Osim toga, nakon interakcije između elektronskog snopa i uzorka, emitirat će se karakteristične X-zrake s jedinstvenom energijom. Detektiranjem tih X-zraka može se odrediti i elementarni sastav ispitivanog materijala.
Transmisijski elektronski mikroskop (TEM)
Transmisijska elektronska mikroskopija projicira ubrzani i fokusirani elektronski snop na vrlo tanak uzorak, gdje se elektroni sudaraju s atomima u uzorku i mijenjaju smjer, što rezultira raspršenjem pod čvrstim kutom. Zbog korelacije između kuta raspršenja i gustoće i debljine uzorka mogu se formirati slike različite svjetline i tame koje će se nakon povećanja i fokusiranja prikazati na uređaju za snimanje.
U usporedbi sa SEM-om, TEM koristi CCD za izravnu sliku na fluorescentnim zaslonima ili zaslonima osobnih računala, omogućujući izravno promatranje unutarnje strukture materijala na atomskoj razini, s milijunskim povećanjem i većom rezolucijom, s optimalnom rezolucijom od <50 pm . Međutim, zbog potrebe za propuštenim elektronima, TEM obično ima visoke zahtjeve za uzorak, s debljinom općenito ispod 150 nm, što ravnijom, a tehnika pripreme ne bi trebala proizvesti nikakve artefakte u uzorku (kao što su taloženje ili amorfizacija) . U isto vrijeme, slike transmisijske elektronske mikroskopije (TEM) su 2D projekcije uzorka, što operaterima otežava interpretaciju rezultata u nekim slučajevima.
2、 Laserska metoda analize veličine čestica
Laserska metoda analize veličine čestica temelji se na Fraunhoferovoj difrakciji i teoriji Mieovog raspršenja. Nakon laserskog ozračivanja čestica, čestice različitih veličina proizvest će različite stupnjeve raspršenja svjetlosti. Male čestice imaju tendenciju raspršivanja svjetlosti u širokom kutnom rasponu, dok velike čestice imaju tendenciju raspršivanja više svjetlosti u manjem kutnom rasponu. Stoga se raspodjela veličine čestica može ispitati analizom fenomena difrakcije ili raspršenja čestica. Trenutačno se laserski analizatori veličine čestica dijele u dvije kategorije: statičko raspršenje svjetlosti i dinamičko raspršenje.
Statička metoda raspršenja svjetlosti
Statička metoda raspršenja svjetlosti je metoda mjerenja koja koristi monokromatsku, koherentnu lasersku zraku za zračenje otopine čestica koje ne apsorbiraju duž smjera upada. Fotodetektor se koristi za prikupljanje signala kao što su intenzitet i energija raspršene svjetlosti, a informacije se analiziraju na temelju principa raspršenja kako bi se dobile informacije o veličini čestica. Zbog činjenice da ova metoda dobiva trenutne informacije u jednom potezu, naziva se statička metoda. Ova tehnologija može detektirati čestice veličine od submikrona do milimetra, s ultra širokim rasponom mjerenja, kao i mnogim prednostima kao što su velika brzina, velika ponovljivost i online mjerenje. Međutim, za aglomerirane uzorke, veličina čestica za detekciju obično je prevelika. Stoga korištenje ove tehnologije zahtijeva visoku disperziju uzorka, a mogu se dodati sredstva za raspršivanje ili ultrazvučne kutije kako bi se pomoglo u disperziji uzorka. Osim toga, prema Rayleighovu principu raspršenja, kada je veličina čestice mnogo manja od valne duljine svjetlosnog vala, veličina čestice više ne utječe na kutnu distribuciju relativnog intenziteta raspršene svjetlosti. U tom se slučaju za mjerenje ne može koristiti statička metoda raspršenja svjetlosti.
Svaka čestica suspendirana u tekućini neprestano će prolaziti nepravilno gibanje, poznato kao Brownovo gibanje, a intenzitet njezina gibanja ovisi o veličini čestice. Pod istim uvjetima, Brownovo gibanje velikih čestica je sporo, dok je ono malih čestica intenzivno. Metoda dinamičkog raspršenja svjetlosti temelji se na načelu da kada se čestice podvrgnu Brownovom gibanju, ukupni intenzitet raspršene svjetlosti će fluktuirati, a frekvencija raspršene svjetlosti će se pomaknuti, čime se postiže mjerenje veličine čestica mjerenjem stupnja slabljenja intenziteta raspršene svjetlosti. funkcioniraju tijekom vremena.
3、 Metoda proširenja rendgenske difrakcije (XRD)
Kada se elektron velike brzine sudari s ciljnim atomom, elektron može izbaciti elektron na K sloju unutar jezgre i stvoriti rupu. U to vrijeme, vanjski elektron s većom energijom prelazi u K sloj, a oslobođena energija se emitira u obliku X-zraka (K-serija zraka, gdje elektroni prelaze iz L sloja u K sloj koji se zove K α) . Obično se jedinstveni difrakcijski uzorci mogu generirati na temelju čimbenika kao što su sastav materijala, oblik kristala, način intramolekularnog vezivanja, molekularna konfiguracija i konformacija.
Prema Xie Leovoj formuli, veličina zrna se može odrediti stupnjem proširenja difrakcijskih traka X-zraka. Što je zrno manje, to će njegove difrakcijske linije postati difuznije i šire. Stoga se širina difrakcijskih vrhova u uzorcima rendgenske difrakcije može koristiti za procjenu veličine kristala (veličine zrna). Općenito govoreći, kada su čestice monokristali, ova metoda mjeri veličinu čestica. Kada su čestice polikristalne, ovom se metodom mjeri prosječna veličina zrna pojedinačnih zrnaca koja čine jednu česticu.
Xie Le formula (gdje je K Xie Le konstanta, obično 0,89, β je visina poluširine difrakcijskog vrha, θ je difrakcijski kut, a λ je valna duljina X-zraka)
Ukratko,
Među tri najčešće korištene metode detekcije, elektronska mikroskopija može dati intuitivne slike čestica i analizirati njihovu veličinu, ali nije prikladna za brzu detekciju. Metoda laserske analize veličine čestica koristi fenomen raspršenja svjetlosti čestica, koji ima prednosti brzine i točnosti, ali zahtijeva visoke zahtjeve za pripremu uzorka. Pravilo širine linije difrakcije X-zraka ne koristi se samo za mjerenje veličine zrna nanomaterijala, već također pruža sveobuhvatne informacije o fazi i kristalnoj strukturi, ali je složenije za analizu materijala velikih zrna.
