Просвечивающая электронная микроскопия

Для того чтобы электронный пучок мог пройти через образец, толщина последнего должна быть много меньше, чем при оптической микроскопии. Верхний предел этой величины составляет приблизительно 0,2 мкм. Существует два основных метода приготовления очень тонких образцов из модифицированных каучуком пластиков: приготовление реплик и ультрамикротомирование. В некоторых случаях может оказаться полезной и отливка образцов из растворов.

Травленая поверхность, подготовленная описанным выше методом, является прекрасным объектом для получения реплик в одну или две стадии. В одностадийном процессе на поверхность напыляется слой углерода, детали выделяются оттенением, и реплика флотируется погружением в растворитель, подходящий для данного полимера. В двухстадийном процессе водный раствор желатины или поливинилформаля наносится на поверхность и высушивается. Приготовленная таким образом реплика снимается, покрывается углеродом и оттеняется, как в одностадийном процессе. Желатина затем растворяется в воде, и оттененная углеродная реплика микроскопируется. Преимущество двухстадийного метода заключается в том, что образец не подвергается разрушению растворителем.
Можно применить несколько методов травления. Для УПС очень удобно использовать упомянутую выше смесь хромовой и фосфорной кислоты. Однако для АБС-пластиков эта смесь менее пригодна, поскольку она разрушает стирол-акрилонитрильную матрицу. Лучшие результаты получаются при травлении АБС-пластиков 10 M раствором CrO3 в течение 5 мин при 40 °C. Эти химические методы травления имеют то преимущество, что они позволяют точно воспроизвести форму частиц каучука, но при их использовании обычно теряется внутренняя структура частиц.
Травление ионным пучком использовалось для выявления внутренней структуры частиц каучука в УПС, но качество получаемых образцов крайне неудовлетворительное. Травление выдержкой в парах изопропилового спирта дает гораздо лучшие результаты, однако в этом случае проявляется нежелательная релаксация полимера в поверхностном слое, что не позволяет надежно определять форму частиц. Для некоторых материалов метод реплик с поверхностей разрушения дает ценную информацию о форме частиц и их внутренней структуре, но при интерпретации снимков возникают трудноразрешимые проблемы. Лучшей методикой является абразивное шлифование, аналогичное используемому в металлографии.
Метод реплик применим для изучения размера частиц, их пространственного распределения и формы. Он менее пригоден для изучения внутренней структуры частиц каучука, хотя и эту задачу можно решить, несколько модифицировав методику. Детальный анализ структуры частиц каучука обычно проводится на обработанных четырехокисью осмия срезах. На рис. 3.2 представлены микрофотографии одного и того же образца УПС, обработанного методами реплик, тонких срезов и сканирующей электронной микроскопии.


Несомненно наиболее успешным методом изучения морфологии модифицированных каучуком пластиков является метод, обработки четырехокисью осмия, предложенный Като. Этот метод применим к полимерам, содержащим ненасыщенные каучуки, а следовательн, к большинству УПС и АБС-пластиков, ударопрочному ПВХ, смесям полипропилена с этилен-пропилен-диеновым сополимером, ударопрочным эпоксидным смолам и ряду других полимеров, модифицированных каучуком. Основой метода, который был впервые использован для окрашивания синтетических каучуков Андрюсом, является реакция между четырехокисью осмия и двойными связями каучука, приводящая к образованию циклического эфира осмия:

Эта реакция приводит к дополнительному эффекту, вызывая затвердевание каучука, так что он становится легко нарезаемым. Главное то, что происходит контрастирование поверхности и создается различие для электронного пучка между каучуком и непрореагировавшей матрицей. Образцы помещаются при комнатной температуре в пары OsO4 на несколько часов или же в 1 %-ный раствор OsO4 на несколько дней. Поскольку OsO4 и токсичен, и дорог, предпочтительно пользоваться растворами. Рию и Смит показали, что более быстрое и глубокое оттенение термореактивных смол достигается при использовании растворов OsO4 в органическом растворителе, причем для ударопрочных эпоксидных смол удобно пользоваться тетрагидрофураном. Ни пары OsO4, ни водный его раствор не проникают в пространственно сшитые смолы достаточно быстро, чтобы обеспечить удовлетворительное окрашивание. Если в распоряжении нет твердого OsO4, то можно смешать тетрагидрофуран с 2 %-ным водным раствором OsO4 (1:1).
Для того чтобы прореагировать с каучуком, OsO4 должен продиффундировать сквозь жесткую матрицу. Полистирол поглощает существенное количество OsO4, что приводит к заметной пластификации материала. При стандартных условиях обработки реагент обычно проникает на 10—20 мкм вглубь. Следовательно, для получения удовлетворительных результатов необходимо тщательно подготовить предназначенную для исследования поверхность. Вначале образец подрезают в форме пирамиды, с которой затем постепенно срезают слои до получения усеченной пирамиды с совершенно гладкой узкой вершиной около 0,2 мм в поперечнике, поскольку получить очень тонкий срез с более широкого образца невозможно. После этого образец погружают на несколько дней в среду реагента и затем снова закрепляют в ультрамикротоме. Режущую кромку ножа тщательно ориентируют параллельно плоскости образца с тем, чтобы получить требуемый срез в пределах окрашенной области. Лучшие микрофотографии получаются со срезов толщиной меньше 60 нм, которые имеют серебристую интерференционную окраску. Для работы со срезами такой толщины обычно требуется подложка.
На рис. 3.1 и 3.2 представлены оптические и электронные микрофотографии, полученные от одного и того же образца УПС, но обработанного различными методами. Ультратонкие срезы, полученные по методу Като, детально воспроизводят особенности морфологии образцов. Темные окрашенные области полибутадиена резко контрастируют со светлыми неокрашенными областями полистирола как окружающими частицы каучука, так и находящимися внутри них. Особенно четко выделяется граница раздела фаз. Такая структура типична для УПС: частицы каучука относительно велики и содержат большое количество инклюдированного полистирола. Причины образования такой структуры описаны в гл. 4.
В некоторых случаях электронная микроскопия обнаруживает у смесей АБС-пластиков с ПВХ или поликарбонатом различия электронной плотности в пределах самой матрицы, свидетельствующие о неполном смешении двух термопластичных компонентов. Четкие доказательства этого можно найти в работе Стефана и Вильямса, в которой изучены характеристики смеси АБС-пластика с поликарбонатом: поликарбонат проявляется на микрофотографиях в виде светлых, не заполненных каучуком областей, окруженных сравнительно более темным сополимером САН, содержащим окрашенные четырехокисью осмия частицы каучука. Причины наблюдаемого контраста не очень ясны. Одним из возможных объяснений является различие в растворимости OsO4 в этих двух термопластах. Характерные различия в электронных плотностях, вероятно, дают вклад в эффект контрастности, особенно у смесей с ПВХ, однако выделение HCl под действием электронного пучка уменьшает обусловленную этой причиной контрастность.
Существуют многочисленные варианты метода Като. Более быстрое и глубокое окрашивание достигается при нагревании образца до 40—50 °C в запаянном контейнере в присутствии твердого OsO4. Другой вариант предусматривает окрашивание уже готового среза. Частицы каучука имеют склонность к размазыванию и разрыву, если они не отверждены каким-либо образом. Поэтому приготовление срезов обычно нужно проводить при низких температурах или после предварительного облучения образцов лучами высокой энергии. Иногда и необработанные образцы могут быть осторожно ультрамикротомированы при комнатной температуре.
В случае насыщенных каучуков возникают большие сложности при анализе морфологии. Хотя срезы могут быть получены без особого труда по вышеописанным методикам, остается проблема электронного контрастирования, так как неокрашенные частицы каучука не выделяются четко на фоне окружающей матрицы.
Каниг предложил особый метод двухстадийной окраски бутилакрилатного каучука. Полимер обрабатывается вначале гидразином или гидроксиламином, а затем OsO4 в отсутствие воды. На первой стадии образуется гидразид:

При добавлении OsO4 осаждается металлический осмий в результате восстанавливающего действия гидразида.
Другой вариант метода Канига основан на различиях характеристик кристаллических и некристаллических областей в полиолефинах. Он удобен для исследования ударопрочного полипропилена. Последний обрабатывается 16 ч при 60 °C хлорсульфоновой кислотой, в результате чего в полимерные цепи в некристаллических областях материала, включая и межламелярные, вводятся группы сульфоновой кислоты. При добавлении 1 %-ного раствора уранилацетата образуется уранилсульфонат, обладающий повышенной электронной плотностью. Для этой цели можно использовать соли и других тяжелых металлов.

В большинстве случаев электронные микрофотографии используются для получения приблизительной информации о размере частиц, их объемной доле и других характеристиках. Количественные данные можно, конечно, получить при рассмотрении большого числа микрофотографий, желательно с помощью компьютера, анализирующего изображения.
Анализ тонких срезов дает непосредственную информацию oб объемных долях фаз, поскольку тонкие срезы адекватно отражают структуру полимера в массе. Наиболее простым методом (но очень утомительным) является нанесение серии параллельных линий на каждую микрофотографию и определение вручную соотношения между числом пересечений каждой линии с матрицей и каучуковыми частицами. При этом трудно выполнить надежные измерения объемной доли каучуковой фазы, поскольку каучук обычно содержит инклюдированный матричный полимер, что следует учитывать при измерениях. Если содержание каучука известно, то можно рассчитать объемный состав системы. Например, типичным составом для УПС является 70 % матричного полистирола, 6 % полибутадиена и 24 % полистирольных инклюзий. Каучуковые мембраны, аналогичные приведенным на рис. 3.2, слишком тонки для точных прямых измерений.

Анализ тонких срезов приводит к занижению значений диаметров каучуковых частиц. Истинный диаметр попадает в поле микроскопа, лишь когда срез проходит по экваториальной плоскости частицы. Если диаметр частицы составляет 2 мкм, то срезы толщиной 50 нм могут отсекаться на произвольном расстоянии от этой плоскости, и мало вероятно увидеть полный диаметр частицы. Для устранения этой ошибки Холлидей рекомендует умножать наблюдаемое среднее значение диаметра на 4/π. Следует, однако, отметить, что срезы все же не бесконечно тонкие, так что вносимая ошибка понижается с уменьшением отношения размера частицы к толщине среза.
Существует насущная потребность систематического анализа размеров частиц, так как простые визуальные наблюдения приводят к переоценке этой величины. Типичное распределение частиц по размерам у трех промышленных марок УПС приведено на рис. 3.3. Наблюдаемое на графике нормальное логарифмическое распределение, очевидно, характерно для этого материала.