Визуализация фаз для описания фазовой структуры

12.08.2015

Первостепенная задача в любом микроскопическом исследовании — обеспечить необходимый контраст между изучаемыми фазами. Иногда этот контраст возникает естественным путем из-за различия в показателях преломления, химического состава или характеристик срезов. Однако чаще его приходится усиливать окрашиванием, травлением или экстракцией. Количество известных способов подготовки велико; в литературе имеется несколько обстоятельных обзоров. В рамках настоящего обсуждения мы сфокусируем наше внимание на тех методах, которые наиболее успешно применялись в полимерах, подвергнутых литью под давлением. Читатели, интересующиеся другими системами, такими как каучуки или волокна, могут полнее ознакомиться с ними в цитируемых источниках.
1. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Окрашивание остается наиболее широко используемым методом усиления контраста в ПЭМ. Среди всех доступных окрашивающих средств два средства стали столь значимыми, что требуют особого рассмотрения: это тетроксид осмия OsO4, и тетроксид рутения RuO4. Хотя и являясь химически близкими, окрашивание осмием и рутением весьма различно по характеру и применению.
OsO4 первоначально применялся для окрашивания ненасыщенных каучуков. Он имеет специфическую реакцию с двойными связями с образованием осмиевокислого эфира в форме:
Визуализация фаз для описания фазовой структуры

Поскольку химикалий усиливает реагирующую подложку и легко диффундирует через большинство полимерных матриц, образцы обычно перед приготовлением срезов подвергаются действию паров или водного или органического раствора красящего вещества.
Однако обычно полезно сначала подготовить поверхность блока, чтобы получить гладкую поверхность среза и максимально увеличить число срезов, которые можно успешно снять с окрашенной области. В нашей лаборатории удовлетворительные результаты для многих систем были получены иммерсией образцов в 1%-ном водном растворе с вечера до утра. Захват красящего вещества может быть усилен повышением температуры до 60 °С. После извлечения из красящего раствора образцы тщательно промывались для удаления непрореагировавшего осмия. Все операции проводились в вытяжном шкафу. Окрашивание осмием успешно осуществлялось при обработке УПС (ударопрочный полистирол) и АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол); ПВХ (поливинилхлорида) модифицированного каучуком; смеси ПП-ЭПДМ (этилен-пропилен-диенового мономера); эпоксидных систем и множества других смесей, содержащих ненасыщенные компоненты.
Ниимони с сотр. сообщали, что OsO4 реагирует в более ограниченной степени с такими функциональными группами, как ОН, О и NH2, и они применяли осмий для дифференциации гидролизованного сополимера ПВХ от этиленвинилацетатного каучука, и дифференциации взаимопроникающей сетки полиуретан-мочевины от полиакрилата. В тех случаях, когда ненасыщенные связи отсутствует, осмиевое окрашивание может быть иногда использовано для усиления контраста путем преимущественного поглощения.
Имеется ряд публикаций, в которых традиционное осмиевое окрашивание было распространено на полимеры, которые обычно не реагируют с этим химическим веществом. Полиакрилатные каучуки, усиленные САН (сополимер стиролакрилонитрил), окрашивались с применением первичной обработки образца в гидразине. Гидразин реагирует с эфиром акрилата с образованием гидразидов акриловой кислоты, которые могут окрашиваться OsO4. Подобная двухступенчатая процедура окрашивания, в которой окрашенная фаза создавалась скорее за счет селективного поглощения, чем за счет химической реакции, описана Сью с сотр. В этом случае эпоксидные смеси, модифицированные акриловым каучуком, сначала в течение двух часов подвергались действию паров стирола при 25 °C, а затем окрашивались осмием. Происходило преимущественное поглощение стирола акриловым каучуком. Последующее комплексообразование стирола OsO4 окрашивало каучуковую фазу в темный цвет. При модификации таким способом олефиновые каучуки в ударопрочных смесях ПП эффективно окрашивались OsO4 после иммерсии в октадиене в течение примерно 3 часов. Вновь, главным образом, преимущественное поглощение, а не химическая реакция было ответственным за селективность. Этот же метод применялся по отношению к смесям акрилового каучука. Михлер показал, что окрашивание некоторых компонентов смесей может быть усилено предварительным γ-облучением образов. Очевидно, что эта экспозиция увеличивает количество свободных радикалов, которые, в первую очередь, реагируют с OsO4. Хлорированный полиэтилен в смесях САН-ХПЭ был успешно окрашен таким способом. Михлер также показал, что фазовый контраст может быть получен в неокрашенных смесях несильным деформированием тонких срезов перед опытом.
Окрашивание рутением было впервые осуществлено независимо Витали и Монтани и Трентом с сотр. RuO4 известен как сильный окислительный агент, реагирующий с полимерами, содержащими эфирные, спиртовые, ароматические или аминные группы. В качестве красящего вещества он намного менее избирателен, чем OsO4, но более изменчив в том отношении, что он по-разному окрашивает большое число компонентов смесей, что делает его исключительно полезным при исследовании сложных систем. Ввиду того, что заранее очень трудно предсказать интенсивность окраски различных фаз, полезным является предварительное окрашивание и оценка результата для различных комбинаций в двухфазных системах перед тем, как применять окрашивание систем из трех и большего числа компонентов.
RuO4 заметно менее стабилен, чем OsO4, и он диффундирует через полимеры гораздо менее охотно. Поэтому использование свежеприготовленного окрашенного материала является обязательным для получения хороших результатов. Опыт показал, что оптимальной процедурой является генерация RuO4 in situ посредством реакции между RuO2 и периодатом натрия по следующей схеме:
Визуализация фаз для описания фазовой структуры

Растворы, сохраняемые в закрытых сосудах из коричневого стекла, остаются активными в течение 2-5 дней в зависимости от того, насколько часто они используются. Образцы лучше окрашивать до приготовления срезов, чем после этой операции; в случае применения осмия это осуществляется экспозицией образца в парах над раствором в течение 10-60 с. Однако даже в тонких срезах окрашивание может быть ограничено внешней поверхностью образца. Обычно это не составляет проблемы, но в некоторых случаях могут возникать артефакты вследствие наложения верхнего и нижнего окрашенных слоев (рис. 9.1). Возникающие при этом кольцевидные структуры можно ошибочно принять за третью фазу, окружающую диспергированные домены; кроме того, это может приводить к некоторой неточности при определении их размеров.
Визуализация фаз для описания фазовой структуры

Для ряда случаев (при выделении нескольких фаз) демонстрировался выигрыш в использовании окрашивания комбинацией осмия и рутения. Последовательное окрашивание применялось при исследовании смесей ударопрочного ПК (поликарбонат) с ПБТ (полибутилентерефталат), УПС с АБС, и упрочненного ПФО (2,6-диметил-1,4-фениленоксид) с полиамидом. При изучении смесей ПК-АБС, содержащих пигмент в виде газовой сажи, оказалось полезным исследовать последовательно окрашенный и неокрашенный образцы. В первом случае бутадиен сначала окрашивается посредством обработки OsO4. Затем фазы ПК и САН дифференцируются с помощью экспозиции RuO4. Однако в этом процессе утрачивается контраст с сажей. Ее осаждение должно определяться наблюдением за неокрашенными областями. В следующем разделе этой главы будут приведены примеры фазовой сегрегации.
Некоторые другие методы усиления фазового контраста при изучении полимерных смесей методом ПЭМ использовались в меньшей степени. Было обнаружено, что трифторацетат ртути (Hg(TFA)2) избирательно внедряется в ароматические кольца, имеющие электронно-донорные группы, такие как кислород. Это было с успехом использовано для дифференциации ПФО в смесях с блок-сополимерами Kraton. Образцы окрашивались путем иммерсии в 10 %-ном водном растворе в течение промежутка времени от 10 до 60 мин. Концентрации и времена экспозиции было необходимо ограничивать во избежание деструкции чувствительных полимеров, таких как ПК. Подобно действию RuO4, Hg(TFA)2 вызывает в первую очередь поверхностное окрашивание и не увеличивает жесткость образца.
Фосфорновольфрамовая кислота (ФВК), которая, как известно, избирательно окрашивает аморфные области ряда кристаллических полимеров, применялась для получения контраста в ударопрочном найлоне, содержащем Kraton G. Удовлетворительные результаты были получены флотацией тонких срезов в водном растворе кислоты в течение 24 ч. Подобную процедуру применяли Коджима и Хосода при окрашивании смесей ПП-найлон для исследований методами ПЭМ и СЭМ.
Томас и Тэлмон показали, что можно формировать контраст в тонких, ми-кротомных срезах смесей ПММА (полиметилметакрилат)-САН посредством прямого облучения электронным пучком. Во время экспозиции ПММА избирательно истончается за счет разрыва цепей, тогда как САН стабилизируется сшиванием. Кэмпф показал, что микротомные срезы также избирательно истончаются химической обработкой. В этом исследовании фаза ПК в смесях ПК-САН преимущественно вытравливалась при экспозиции в триэтиламине. В серии более трудоемких экспериментов Уильямс и Хадсон получили, что размер и форма частиц каучука в УПС могут быть определены с помощью получения микротомного среза образца, обработки поверхности изопропанолом с целью вызвать набухание частиц, и последующего приготовления реплики. Разрешение каучуковых включений было довольно низким.
Для окрашивания полимерных образцов применялись и несколько других реагентов, включая йод, хлорсульфоновую кислоту и сульфид серебра, но их использование было существенно ограничено исследованиями кристаллических гомополимеров и волокон. Частично это ограничение, возможно, связано с тем, что процедуры окрашивания часто бывают весьма агрессивными, и оказывают нежелательное воздействие на остальные компоненты.
2. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Большая глубина поля СЭМ делает ее идеально подходящей для исследований образцов с высокой степенью шероховатости поверхностного рельефа. Эта особенность в сочетании с простотой, с которой может быть приготовлена поверхность разрушения, привела к широкому использованию фрактографии для исследования внутреннего строении полимерных смесей. Наилучшие результаты были получены в тех случаях, когда внутренние фазы были плохо связаны, а матрица подвергалась хрупкому разрушению. При этих условиях возникают поверхности с набором различных несвязанных частиц и полостей, которые часто используется для грубой оценки адгезии и распределения частиц по размерам (рис. 9.2). Неопределенная природа процесса разрушения, большое число частиц, ушедших из плоскости разрушения, и слабая связь между визуальной картиной и межфазной адгезией ограничивают возможности применения этой техники приготовления образцов для получения количественной информации о морфологии смесей, хотя она остается полезной для качественных сравнений. Микрофотографии, полученные таким способом, обсуждаются чаще других микрофотографий.
Визуализация фаз для описания фазовой структуры

В большинстве случаев предпочтительно исследовать полированные или срезанные микротомом поверхности, которые относительно свободны от деформаций и позволяют получать более статистически адекватные образцы, используя преимущество уникальной способности СЭМ работать с большими объектами и в широком диапазоне увеличений. В раннем исследовании такого типа Бакнэлл с сотр. обнаружили, что они могут использовать СЭМ для получения изображений высокого разрешения частиц каучука в УПС путем среза поверхности и травления ее в подходящем растворе хромовой, серной или фосфорной кислот. Модифицированный вариант этого метода был применен Холлом и Якоби для определения различий в уровне прививки в образцах УПС через различия в стойкости к травлению. Фригард использовал аналогичное сочетание микротомии и травления для изучения диспергированного каучука в АБС. Бакнэлл и Дринкуотер успешно протравливали смеси АБС, предварительно разрушая образцы в жидком азоте. Травление хромовой кислотой также применялось для увеличения межфазного контраста в смесях полиолефинов. Камаль с сотр. использовали для избирательного травления смесей ПЭВП-найлон муравьиную кислоту. Хоббс показал, что внутреннее строение диспергированных каучуков, содержащих окклюзии, может быть хорошо разрешено при приготовлении микротомных срезов образцов при низкой температуре без дальнейшей обработки. Контраст, по-видимому, возникает благодаря различиям в тепловом расширении каучуковой и стеклообразной фаз при нагревании образцов до комнатной температуры. Этот способ перспективен для исследований методом СЭМ насыщенных каучуковых дисперсий, которые плохо поддаются травлению.
Вместо кислотного травления для получения фазового контраста на срезах или полированных поверхностях можно применить растворители. Однако при использовании растворителей следует принимать серьезные меры предосторожности, чтобы избежать артефактов из-за набухания или возникновения индуцированных напряжением трещин в нерастворенной фазе, или постосаждения растворенного полимера на травленой поверхности. В целом, травление растворителем трудно контролировать, что ведет к полному удалению диспергированной фазы. Это может в некоторых случаях являться преимуществом, поскольку предоставляет возможность получить микрофотографии, пригодные для количественной оценки, о чем мы будет говорить ниже. Примеры применения растворителей включают использование хлороформа для травления смесей ПФО-ПБТ и гексафторизопропанола для травления смесей ПП-ЭВОН (этиленвинилалкоголь). Диэти-лентриамин (ДЭТА) оказался эффективным травителем для смесей, содержащих диспергированный поликарбонат. Растворитель и растворяет, и деструктирует полимер, минимизируя тем самым проблему постосаждения. Поскольку амин растворяется в воде, определенное управление интенсивностью травления можно обеспечить растворением химикалия в воде. Трехкомпонентные смеси ПФО, ПК и ПБТ успешно протравливались водным раствором ДЭТА для подтверждения присутствия ПК на границе ПФО-ПБТ. Травление ДЭТА применялось для выявления присутствия ПК в межламелярных областях сферолитов, закристаллизованных в смесях ПБТ-ПК с высоким содержанием ПБТ (рис. 9.3). В смесях ПБТ-ПК почти равного состава и с очень высокой дисперсностью, в которых наблюдается взаиморастворимость, травление ДЭТА может давать значительные артефакты.
Плазменное травление иногда обеспечивает лучший контроль ухода материала, чем химическое травление. Процедура плазменного травления менее непосредственная в том смысле, что часто трудно предсказать, какая фаза будет в большей степени вытравливаться, но этот вопрос легко решается на опыте. В целом акрилы и поликарбонаты более восприимчивы к воздействию плазмы. В нашей лаборатории многие смеси, включая ПК-АБС и найлон-ПФО, были успешно протравлены в кислородной плазме при давлении 100 торр в течение времени от трех до семи минут. Поскольку при более длительном травлении на поверхности накапливаются артефакты и обломки, экспозиция образцов с тонкой морфологией должна быть короткой.
Если матрица растворима в большей степени, чем диспергированная фаза, то образец можно вместо травления экстрагировать. Этим методом были исследованы форма и размер частиц привитого полиолефина. Если диспергированная фаза состоит из ненасыщенного каучука, который может быть восприимчив к набуханию и агломерации, то к экстрагирующему растворителю можно добавить осмий для упрочнения и стабилизации частиц. Частицы каучука в УПС и АБС экстрагировались этим способом путем обработки полимеров циклогексаном, содержащим OsO4, с отделением нерастворимого каучука путем мягкого центрифугирования (рис. 9.4). В некоторых случаях результат экстракции может быть усилен повторным внедрением частиц в полимер, секционированием и просмотром образца с помощью ПЭМ. Эта процедура использовалась для изучения внешнего привитого слоя ПС на частицах каучука, удаленных с УПС (рис. 9.5). Привитый на поверхности полимер обычно невидим в матрице ПС.
Визуализация фаз для описания фазовой структуры

На момент написания этой главы было относительно мало публикаций, подтверждающих использование внутреннего химического контраста для дифференциации фаз полимерных смесей с помощью СЭМ, хотя такие микрофотографии могут быть очень полезными для количественных целей (см. следующий раздел). Отсутствие документированных данных связано с влиянием ряда факторов; одним из них является то, что при нормальном рабочем напряжении (10-30 кВ) контраст между фазами, имеющими различные составы, наиболее выражен на изображениях в обратном рассеянии (ОР), разрешение которых, в принципе, ниже, чем разрешение вторичных изображений (рис. 9.6). Другой фактор связан с тем, что даже при получении изображения в OP различие атомных номеров в большинстве полимеров, состоящих преимущественно из углерода, водорода, кислорода и азота, столь мало, что возникает лишь небольшой контраст.
Визуализация фаз для описания фазовой структуры
Визуализация фаз для описания фазовой структуры

Существует два общепринятых способа обойти проблему. Один заключается в том, чтобы работать при низких рабочих напряжениях, когда коэффициент выхода вторичных электронов δ для большинства полимеров относительно высок (1 или более против 0,1-0,2 при 20 кВ). В этих условиях небольших изменений в химическом составе компонентов смеси достаточно, чтобы вызвать контраст во вторичном изображении. При напряжениях ниже -1,5 кВ интенсивность эмиссии вторичных электронов сравнима с интенсивностью соударений электронов с образцом, и заряда не происходит. В результате можно использовать непокрытые образцы. Поскольку проникновение пучка и повреждение образца невелики, загрязнения не накапливаются на поверхности образца. Прогресс в конструировании микроскопов и источников электронов (LaB6, полевая эмиссия) делает теперь возможным получение высококачественных изображений при указанных условиях. Берри использовал СЭМ низкого напряжения для исследования морфологии ряда смесей, включая смеси ПЭК (полиэфиркарбонат)-ПФС (полифениленсульфид), CAH-ПБТ и ПБТ-АБС.
Второй метод формирования химического контраста между компонентами смеси — это селективное окрашивание. Окрашивание с помощью осмия, ртути, фосфорновольфрамовой кислоты и брома применялось для дифференциации фаз в УППС, смесях ПС-ПБД (полибутадиен), удароупрочненных каучуком эпоксидных смолах, смесях полифениленоксид-найлон, ПП-найлон, насыщенных и ненасыщенных каучуков и блок-сполимеров. В окрашенных образцах контраст во многих случаях бывает достаточно высок, чтобы можно было проводить исследования при обычных ускоряющих напряжениях (10-30 кВ), применяя образцы с покрытием и изображение, получаемое во вторичных электронах. Этот способ дает преимущество как по улучшению разрешения, так и по минимизации числа подповерхностных деталей, видимых на изображении. Пример влияния толщины и типа покрытия на различие в химическом контрасте между монобромированным 2,6-диметил-1,4-фениленоксидом и ПС показано на рис. 9.7. Как и можно было ожидать, контраст наибольший на изображении в OP, но два полимера также различаются на вторичном изображении после наложения проводящего покрытия Au-Pd толщиной 400А.
Визуализация фаз для описания фазовой структуры

3. Оптическая микроскопия (ОМ). Применение OM для анализа полимерных смесей часто ограничено из-за малых размеров типичных диспергированных частиц. Поэтому многие исследователи чаще выбирают методы, обеспечивающие большее увеличение, такие как СЭМ и ТЭМ. Простота проведения оптических наблюдений остается значительным преимуществом ОМ, и при сочетании различных способов освещения иногда становится возможным получать информацию, недоступную для других методов. Общая процедура эксперимента включает подготовку тонких срезов исследуемой смеси и наблюдение образцов в пропускании, используя фазово-контрастную оптику. Смеси Kraton G и ПС, которые плохо поддаются окрашиванию, были изучены с помощью этого метода. Кавано и Ванг применяли оптическую микроскопию для описания дисперсий ПЭ-ПС в полученных микротомом срезах толщиной 5 мкм с выделением ПС посредством окрашивания или экстрагирования толуолом. Хан с сотр. использовали отражательную оптическую микроскопию для анализа смесей ПС-ПП, которые подвергались полировке и экстракции в толуоле. Другие исследователи применяли поляризационный оптический микроскоп для изучения смесей, содержащих кристаллические компоненты. Флуоресцентная микроскопия, реализуемая посредством использования УФ-источника света и подходящей оптики, показала себя полезной для выявления окисленных фаз и вариаций взаиморастворимости смесей. Избирательное легирование фаз флуоресцирующими молекулами, такими как антрацен и флуоресцеин, позволяет создать контраст между нефлуоресцирующими фазами. Этот метод с успехом применялся для анализа смесей ПВС (поливиниловый спирт)-ПВАц (поливинилацетат).
Важным приложением для оптической микроскопии является исследование гетерофаз, таких как волокна, наполнители или пигменты, которые часто добавляются в смеси. Эти компоненты обычно видимы в отраженном или проходящем свете при использовании полированных или приготовленных с помощью микротома образцов. Поскольку в OM легко получить множество изображений при низком увеличении, объекты с высоким видимым отношением на поверхности могут быть изучены с определенной степенью доверия. В других конкретных случаях часто больший интерес вызывает однородность диспергерования, чем подробные сведения о морфологии частиц. В этих случаях OM предоставляет удобный метод для определения вариаций избыточно крупных или далеко отделенных областей. Эта проблема будет более подробно рассмотрена в следующем разделе, посвященном дисперсиям.
Недавний прогресс оптической микроскопии связан с конфокальной лазерной сканирующей микроскопией (CLSM). В этом методе образец сканируется с помощью точечного светового источника и точечного детектора, сфокусированных на определенную плотность внутри образца. Свет вне фокусной плоскости отбрасывается, что делает возможным получение четкого изображения каждой «оптической плоскости». Фокусируя по серии таких плоскостей, можно определить трехмерное строение материала. Верхоогт с сотр. применили этот метод для исследования морфологии смесей сополимера стиролэтилен-бутиленстирол (СЭБС) с полиэфирэфиром. Работая с увеличением примерно х1000, авторы сумели получить изображения двух фаз до глубины 50 мкм. Можно было наблюдать морфологию обеих непрерывно-сопряженных фаз в зависимости от состава. Путем применения видеолент и программ обработки изображений удалось построить трехмерные реконструкции микроструктуры смеси (рис. 9.8). С помощью этого метода был исследован также ряд других полимерных систем, включая смеси ПС-БСК (бутадиенстирольный каучук), ПСУ-ПА (полиамид) и ПС-ПИ (полиизопрен).
Визуализация фаз для описания фазовой структуры