Jako jeden z nejdůležitějších charakterizačních parametrůnano prášekvelikost částic přímo ovlivňuje fyzikální a chemické vlastnosti prášku a následně ovlivňuje výkon konečného produktu. Proto je její detekční technologie důležitým nástrojem průmyslové výroby a managementu kvality a hraje nezastupitelnou roli při zlepšování kvality výrobků, snižování výrobních nákladů a zajišťování bezpečnosti a účinnosti výrobků. Tento článek bude vycházet z principu a porovná tři běžné metody pro detekci velikosti částic prášku: elektronová mikroskopie, laserová analýza velikosti částic a metoda šířky rentgenové difrakční čáry a analyzuje výhody, nevýhody a použitelnost různých metod testování velikosti částic. .
1、 Metoda elektronové mikroskopie
Elektronová mikroskopie je technika měření velikosti částic s vysokým rozlišením, která se dělí hlavně na transmisní elektronovou mikroskopii (TEM) a rastrovací elektronovou mikroskopii (SEM).
Rastrovací elektronový mikroskop (SEM)
Zobrazování pomocí rastrovací elektronové mikroskopie využívá jemně zaostřený vysokoenergetický elektronový paprsek k vybuzení různých fyzikálních signálů na povrchu vzorku, jako jsou sekundární elektrony, zpětně odražené elektrony atd. Tyto signály jsou detekovány odpovídajícími detektory a intenzita signálů odpovídá na povrchovou morfologii vzorku. Zobrazování bod po bodu lze proto převést na video signály pro modulaci jasu katodové trubice pro získání 3D obrazu povrchové morfologie vzorku. Díky menší vlnové délce elektronového paprsku je možné ve větší míře pozorovat jemné rysy/detaily materiálu. V současnosti dokáže rastrovací elektronová mikroskopie zvětšit obrazy objektů na stovky tisíckrát jejich původní velikost, což umožňuje přímé pozorování velikosti a morfologie částic. Optimální rozlišení může dosáhnout 0,5nm. Navíc po interakci mezi elektronovým paprskem a vzorkem bude emitováno charakteristické rentgenové záření s jedinečnou energií. Detekcí těchto rentgenových paprsků lze také určit elementární složení testovaného materiálu.
Transmisní elektronový mikroskop (TEM)
Transmisní elektronová mikroskopie promítá urychlený a fokusovaný elektronový paprsek na velmi tenký vzorek, kde se elektrony srazí s atomy ve vzorku a změní směr, což má za následek rozptyl v plném úhlu. Díky korelaci mezi úhlem rozptylu a hustotou a tloušťkou vzorku mohou vznikat obrazy s různou jasností a tmavostí, které se po zvětšení a zaostření zobrazí na zobrazovacím zařízení.
Ve srovnání s SEM používá TEM CCD k přímému zobrazení na fluorescenčních obrazovkách nebo obrazovkách PC, což umožňuje přímé pozorování vnitřní struktury materiálů v atomárním měřítku, s milionovým zvětšením a vyšším rozlišením, s optimálním rozlišením <50pm . Vzhledem k potřebě přenášených elektronů má však TEM obvykle vysoké požadavky na vzorek, s tloušťkou obecně pod 150 nm, pokud možno plochý, a technika přípravy by neměla produkovat žádné artefakty ve vzorku (jako je precipitace nebo amorfizace). . Snímky z transmisní elektronové mikroskopie (TEM) jsou zároveň 2D projekcemi vzorku, což v některých případech zvyšuje obtížnost operátorů interpretovat výsledky.
2、 Metoda analýzy velikosti částic laserem
Metoda laserové analýzy velikosti částic je založena na Fraunhoferově difrakci a teorii Mieova rozptylu. Po ozáření částic laserem budou částice různých velikostí produkovat různé stupně rozptylu světla. Malé částice mají tendenci rozptylovat světlo v širokém rozsahu úhlu, zatímco velké částice mají tendenci rozptylovat více světla v menším rozsahu úhlu. Proto může být distribuce velikosti částic testována analýzou fenoménu difrakce nebo rozptylu částic. V současné době jsou laserové analyzátory velikosti částic rozděleny do dvou kategorií: statický rozptyl světla a dynamický rozptyl.
Metoda statického rozptylu světla
Metoda statického rozptylu světla je metoda měření, která využívá monochromatický, koherentní laserový paprsek k ozařování roztoku neabsorbujících částic ve směru dopadu. Fotodetektor se používá ke shromažďování signálů, jako je intenzita a energie rozptýleného světla, a informace jsou analyzovány na principu rozptylu, aby se získaly informace o velikosti částic. Vzhledem k tomu, že tato metoda získává okamžitou informaci jedním tahem, nazývá se metoda statická. Tato technologie dokáže detekovat částice o velikosti od submikronů po milimetry, s ultra širokým rozsahem měření a také s mnoha výhodami, jako je vysoká rychlost, vysoká opakovatelnost a online měření. U aglomerovaných vzorků je však velikost detekčních částic obvykle příliš velká. Proto použití této technologie vyžaduje vysokou disperzi vzorku a mohou být přidány dispergátory nebo ultrazvukové boxy, které napomáhají disperzi vzorku. Navíc, podle principu Rayleighova rozptylu, když je velikost částic mnohem menší než vlnová délka světelné vlny, velikost částic již neovlivňuje úhlové rozložení relativní intenzity rozptýleného světla. V tomto případě nelze pro měření použít metodu statického rozptylu světla.
Jakákoli částice suspendovaná v kapalině bude nepřetržitě podléhat nepravidelnému pohybu, známému jako Brownův pohyb, a intenzita jejího pohybu závisí na velikosti částice. Za stejných podmínek je Brownův pohyb velkých částic pomalý, zatímco pohyb malých částic je intenzivní. Metoda dynamického rozptylu světla je založena na principu, že když částice podstoupí Brownův pohyb, celková intenzita rozptýleného světla bude kolísat a frekvence rozptýleného světla se posune, čímž se dosáhne měření velikosti částic měřením stupně zeslabení intenzity rozptýleného světla. fungovat v průběhu času.
3、 Metoda rozšíření rentgenové difrakce (XRD)
Když se vysokorychlostní elektron srazí s cílovým atomem, elektron může vyřadit elektron na vrstvě K uvnitř jádra a vytvořit díru. V tomto okamžiku vnější elektron s vyšší energií přechází do vrstvy K a uvolněná energie je emitována ve formě rentgenového záření (paprsky řady K, kde elektrony přecházejí z vrstvy L do vrstvy K zvané K α) . Typicky lze jedinečné difrakční obrazce generovat na základě faktorů, jako je složení materiálu, krystalická forma, režim intramolekulární vazby, molekulární konfigurace a konformace.
Podle Xie Leova vzorce lze velikost zrn určit stupněm rozšíření pásem rentgenové difrakce. Čím menší je zrno, tím difuznější a rozšířenější budou jeho difrakční čáry. K odhadu velikosti krystalu (velikost zrna) lze tedy použít šířku difrakčních píku v rentgenových difrakčních obrazcích. Obecně řečeno, pokud jsou částice monokrystaly, tato metoda měří velikost částic. Když jsou částice polykrystalické, tato metoda měří průměrnou velikost zrn jednotlivých zrn, která tvoří jednu částici.
Vzorec Xie Le (kde K je konstanta Xie Le, obvykle 0,89, β je difrakční výška poloviny šířky píku, θ je difrakční úhel a λ je vlnová délka rentgenového záření)
v souhrnu
Mezi třemi běžně používanými detekčními metodami může elektronová mikroskopie poskytnout intuitivní obrazy částic a analyzovat jejich velikost částic, ale není vhodná pro rychlou detekci. Metoda laserové analýzy velikosti částic využívá fenoménu rozptylu světla částic, který má výhody rychlosti a přesnosti, ale vyžaduje vysoké požadavky na přípravu vzorku. Pravidlo šířky čáry rentgenové difrakce se nepoužívá pouze k měření velikosti zrn nanomateriálů, ale poskytuje také komplexní informace o fázi a krystalové struktuře, ale je složitější pro materiálovou analýzu velkých zrn.
