МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ и СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ

Лазерная аналитическая спектроскопия

За 30 лет своего существования лазеры внесли радикальные изменения в уровень современной оптики и спектроскопии. Появле­ние лазеров привело как к появлению новых областей исследования (например, нелинейная оптика и спектроскопия), так и к существен­ному улучшению характеристик спектроскопических методов [55]. Однако ограниченное применение лазерных методов в повседневной практике аналитических лабораторий связано со спецификой лазер­ной аппаратуры (сложная, дорогая, требует квалифицированного об­служивания) и с недостаточной универсальностью метода.

В частности, метод внутрирезонаторного поглощения облада­ет чрезвычайно высокой чувствительностью (до 10"10-10"н см'1 по из­мерению коэффициента поглощения), но эта чувствительность может быть реализована практически лишь в видимом и отдельных участках ближней ИК области спектра, где работают лазеры непрерывного дей­ствия. Однако в этих областях спектра отсутствуют достаточно сильные аналитические линии большинства элементов или интенсив­ные колебательно-вращательные полосы молекул [56].

Изготавливаемые в настоящее время перестраиваемые диод­ные лазеры (ПДЛ) на основании твердых растворов, содержащих сви­нец, обеспечивают когерентное излучение в спектральном диапазоне 3-46 мкм, в котором почти все молекулы имеют интенсивные колеба­тельно-вращательные полосы поглощения [57]. Широко используются два режима работы лазера: непрерывный и импульсный. В последнем случае осуществляется регистрация сразу протяженного участка спек­тра с корреляционной обработкой сигнала.

В настоящее время в России и за рубежом освоен выпуск ди­одных лазерных спектрометров. Аналитическая установка обычно включает в себя криогенную систему (10-100 К), блок перестройки и стабилизации температуры, блок питания лазера, многоходовую кю­вету для исследования газовой смеси и референтные газовые кюветы для привязки по частоте и градуировки по концентрации, детекторы ИК-излучения, систему регистрации сигналов и персональный ком­пьютер для управления установкой и обработки данных [58].

Наиболее важным аналитическим применением ПДЛ на сего­дняшний день является детектирование атмосферных примесей (СО, NO, N02, N20, HN03, NH3, 03, S02, HC1, H2CO3), стабильных состав­ляющих атмосферы (С02, СН4, OCS), а также анализ технологических газов, используемых в полупроводниковой и ядерной промышленно­сти. Концентрацию определяют как путем пробоотбора (исследуемый газ прокачивают через многоходовую кювету при пониженном давле­нии), так и путем трассовых измерений непосредственно в атмосфере.

В национальной физической лаборатории Великобритании трассирующий газоанализатор установлен в автобусе и используется для измерения пространственного распределения ряда примесных га­зов и их потоков через границу производственной зоны.

Несмотря на то, что спектроскопия в ближней ИК-области (БИКС) уже несколько десятилетий используется для количественно­го анализа полимеров, содержащих функциональные группы (напри­мер, для определения гидроксильного числа, влажности, остаточных двойных связей), она применяется сравнительно меньше, чем другие спектроскопические методы.

В конце 70-х гг. начали развиваться два новых направления, способствующие расширению использования БИКС в аналитической химии. С одной стороны, хемометрические методы обработки резуль­татов в комбинации с измерением НПВО открыли возможности неде­структивного многокомпонентного анализа и идентификации твердых полимеров с различной морфологией. С другой стороны, появление волоконной оптики резко расширило применение БИКС для дистан­ционного контроля процессов и материалов. Датчик, соединенный со световодом, можно разместить на расстоянии в сотни метров от спек­трометра, что облегчает контроль процессов с участием токсичных и опасных веществ. В последнее время дальнейший прогресс достигнут разработкой систем монохроматоров для быстрого сканирования в БИКС, например перестраиваемых оптоакустических фильтров. К БИКС относится также новый метод спектроскопии КР, использую­щий Nd-лазер с длиной волны 1064 нм [59].

Фирмой "Krupp" разработан дистанционный лазерный микро­анализатор (RELMA) для непрерывного контроля качества резиновых смесей в подготовительном цехе [60]. Например, гомогенность рези­новых смесей оценивают по концентрации двуоксида кремния на по­верхности листа резиновой смеси. Прибор позволяет проводить эле­ментный спектроскопический анализ состава резин на потоке, напри­мер, на вальцах после резиносмесителя и т. п. Мощность излучения лазера 108 Вт/см2, толщина луча лазера 3 мм, обеспечивается глубина лазерного контроля, оперативность, большой объем исследуемого ма­териала, полная автоматизация и компьютеризация.