МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ и СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ

Сканирующая электронная микроскопия

Растровый (сканирующий) электронный микроскоп включает следующие основные узлы: катод, испускающий электроны, электро­магнитные линзы для сбора излучения, детектор электронов и систему электроники для формирования изображения [10]. Электроны фоку­сируются в тонкий электронный зонд диаметром менее 10 нм, кото­рым поверхность образца построчно сканируется. При взаимодейст­вии узкого электронного пучка с поверхностью образца он испускает излучение видимого и рентгеновского диапазона, приводящее к об­ратному рассеянию. Прибор позволяет получать объемное изображе­ние объекта, поразительно сходное с изображением при освещении светом и наблюдении глазом, так как испускаемые вторичные элек­троны достигают детекторной системы по кривым траекториям, вос­производя изображение даже тех частей объекта, которые находятся "в тени".

При работе с растровым микроскопом исключается длитель­ная и кропотливая работа по подготовке препарата (реплики, ультра­тонкие срезы и т. п.). Вся процедура подготовки полимерного образца сводится к напылению на его поверхность слоя токопроводящего ме­талла толщиной 2,5 нм и выше. Большие размеры образца, возмож­ность вращения и перемещения его в камере микроскопа на значи­тельные расстояния (до 5 см) делают РЭМ незаменимым инструмен­том для исследования поверхностей, изучения морфологии надмоле­кулярных образований в кристаллических и аморфных полимерах [11].

Технические возможности позволяют изучать образец в каме­ре РЭМ при различных воздействиях (нагрев, охлаждение, сжатие, ионное травление и др), т. е. в процессе деформации, развития разру­шений в полимерах. В частности, при исследовании методом РЭМ растрескивания резин в контролируемых условиях на специальном держателе с изогнутым в сторону электронного луча шаблоном изу­чают в режиме вторичных электронов растрескивание резинового об­разца в результате стихийного продвижения в нем трещины (напри­мер, при озонном окислении или обработке серной кислотой).

Методом зондовой сканирующей микроскопии можно прово­дить комплексное изучение поверхности полимеров для оценки про­странственного распределения эластичности, магнитных, электриче­ских, оптических и химических характеристик поверхности [12]. При наличии спектрометра рентгеновского излучения, снабженного ком­пьютерной системой, можно осуществить количественный элемент­ный анализ пробы с разрешением 1 мкм.

Поскольку деформирование полимера и введение наполнителя влияет на размеры, форму и взаимное расположение частиц, это может быть использовано для исследования неоднородного поля микрона­пряжений (микродеформаций) в полимере [13] при сжатии, изгибе, поперечном отрыве и межслойном сдвиге. Определение неоднородных микрополеЙ напряжений состоит из нескольких стадий:

1. Препарирование поверхностей разрушения механически испытан­ного образца с обязательным выявлением сверхтонкой структуры по­лимера (матрицы в композите) для исследования в растровом элек­тронном микроскопе. Рекомендуется химическое или ионное травле­ние в кислородной плазме исследуемой поверхности с последующим нанесением тонкого слоя (10-15 нм) токопроводящего покрытия (золо­та) методом ионного напыления.

2. Регистрация фрактографических картин препарируемого образца на фотопленке, видеокассете или в памяти компьютера. Режим (величина высокого напряжения, тип электронного изображения и др.) и способ регистрации выбираются в зависимости от природы и рельефа по­верхности.

3. Анализ микрополей деформаций с применением компьютерной и мультифрактальной обработки изображения для выявления особен­ностей фрактографических - картин и построения графической или математической моделей микрополей напряжений.

Таким методом можно регистрировать протекание локальных процессов разрушения полимеров от знакопеременных напряжений, оценивая частоту их колебаний и профиль волны.

Длительное время растровые приборы значительно уступали электронным микроскопам просвечивающего типа в разрешении, од­нако благодаря успехам вакуумной техники и созданию катодных пу­шек нового типа в настоящее время для рутинных работ используются приборы с разрешением 5-10 нм, и имеются сообщения о создании микроскопов с разрешением 2 нм. Совместно учеными нашей страны и Германии создан электронный сканирующий туннельный микро­скоп, разрешающая способность которого доведена до такого уровня, что хорошо видны отдельные атомы полимерной матрицы [14].