Способ определения среднего радиуса частиц дисперсной фазы в коллоидных растворах @ -а @ и @ -р

 

Изобретение относится к способам исследования коллоидных растворов a-As и а-Р, применяемых для получения бессеребряных изображений методом фотоосаждения . Целью изобретения является повышение точности и ускорение определения среднего радиуса частиц. Поставленная цель достигается тем, что необходимые для реализации измерений радиусов частиц концентрации раствора на двух различных уровнях по вертикали определяются через оптические плотности осадков, полученных фотоосаждением дисперсной фазы. Про- % цесс осаждения проводят излучением с длиной волны из диапазона 190-400 нм с энергетической освещенностью 150-200 Дж/см2. w Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 N 15/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4711543/25 (22) 24.04,89 (46) 30.12,91. Бюл. N. 48 (71) Латвийский государственный университет им.П,Стучки (72) Б.А.О .-швангер (53) 66,063.62 (088.8) (56) Писаренко А.П. и др. Курс коллоидной химии. М.: Высшая школа, 1969. с.31-35.

Авторское свидетельство СССР

N- 303585, кл. G 01 N 31/02, 1971. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО

РАДИУСА ЧАСТИЦ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ

В КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРАХ а-As И а-P

Изобретение относится к исследованиям коллоидных растворов, в частности к способам исследования коплоидных растворов органозолей а-As и а-Р, применяемыхдля получения бессеребряных изображений методом фотоосэждения.

Известен седиментационный способ определения размера частиц дисперсной фазы в коллоидных растворах, основанный на измерении скорости оседания дисперсной фазы под влиянием силы земного притяжения или центробежной силы.

Однако точность измерения средних размеров частиц дисперсной фазы данным способом не велика. Седиментация в земном поле тяготения происходит, если радиус частиц дисперсной фазы r 1 мкм, при меньших значениях этого радиуса устанавливается седиментационное равновесие.

При проведении седиментации в поле центробежных сил происходит коагуляция (коа„„59„„1702253 А1 (57) Изобретение относится к способам исследования коллоидных растворов а-As u а-Р, применяемых для получения бессеребряных изображений методом фотоосаждения. Целью изобретения является повышение точности и ускорение определения среднего радиуса частиц. Поставленная цель достигается тем, что необходимые для реализации измерений радиусов частиц концентрации раствора на двух различных уровнях по вертикали определяются через оптические плотности осадков, полученных фотоосаждением дисперсной фазы, Процесс осаждения проводят излучением с длиной волны из диапазона 190-400 нм с энергетической освещенностью 150-200

Дж/см . лесценция) дисперсной фазы нестабильных коллоидных растворов типа оргэнозопей а-As и а-Р, что также значительно снижа-. ет точность определения.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ дисперсионного анализа, основанный на измерении скорости осаждения дисперсной фазы диэпькометрически по изменению электрической емкости. Во многих технических задачах достаточно определения среднего радиуса частиц дисперсной.фазы, который может быть получен из результатов измерений по данному способу.

Недостатком указанного способа является низкая точность, поскольку на измеряемую величину электрической емкости влияют различные параметры, например температура, нестабильность геометрических параметров (даже в незначительной мере) и т.д., которые при длительных измерениях (порядка 100 мин) могут существенно меняться, Электрическая емкость зависит от концентрации (относительного количества дисперсной фазы) коллолдного раствора, поэтому с помощью данного способа можно точно определить характер кривой распределения, íî абсогнотное, значение размеров коллоидных частиц имеет при этом большую погрешность (порядка

20-25 и более).

Целью изобретения является повышение точности и ускорение определения.

Для достижения этой цели в известном способе определения среднего радиуса частиц дисперсной фазь| в коллоидных растворах а-As и а-Р, включающем осаждения дисперсной фазы из раствора, помещенного

s оoп тTи ч еeсcкKу lю 0 кKlюoв еeтTу, фотоосаждение дисперсной фазы проводят на стенку оптической кюветы в двух непрерывающихся по вертикали зонах путем воздействия на раствор излучением с длиной волны 190-400 нм с энергетической освещенностью 150-200

Дж/см и определяют оптическую плотность образовавшегося осадка.

Известно, что в мелкодисперсных коллоидных растворах (с радиусом частиц дисперсной фазы менее " мкм) устанавливается т.н. седиментационное равновесие, описываемое формулой ,„з п0 М 4иг (1 (1)

n RT 3 где N — число Авогадро; п0 и п — число частиц в единице объема на некотором заданном уровне и и"-., уровне, находящемся от первого на расстоянии (по вертлкалл);

r — радиус частиц;

d> и d2 — плотность дисперсной фазы и дисперсионной среды.

По формуле (1} можно рассчитать средний радиус частиц дисперсной фазы (для монодисперсных коллоидных растворов— радиус дисперсной фазы).

Поскольку коллоидные растворы Q-As и а-Р очень нестабильные, то определение концентрации частиц в них представляется трудным. Предложено использовать фотоосаждение мышьяка и фосфора на стенку оптической кюветы для определения концентрации дисперсной фазы на данном уровне, а, следовательно, и для определения среднего размера частиц дисперсной фазь.. Эксперименты г1оказали, что количество образовавшегося на стенке оптической кюветы осадка, которое удобно в данном случае характеризовать через его оптическую плотность, однозначно соответствует концентрации дисперсной фазы, если энер10

30 1 EJ )

5Г: гетическая освещенность составляет 150200 Дж/см . Энергетическая освещенность в 150 Дж/см соответствует порогу зароды2 шеобразования фотоосаждения слоя, следовательно, при меньших значениях этой величины процесс фотоосаждения практически не происходит, При энергетической освещенности больше 200 Дж/см скорость роста фотоосажденного слоя мышьяка и фосфора лимитируется скоростью процесса массопереноса в объеме раствора таким образом, что дальнейшее увеличение освещенности становится нецелесообразным, При длине волны менее 190 нм получение энергетической освещенности на уровне 150 Дж/см — сложная техническая

2 задача, так как даже зксимерные лазеры на

ArF имеют в этой области (193 нм} весьма мал".ю интенсивность.

Экспериментально установлено, что при длине вогчы более 400 нм эффекта фотоосаждения на указанных коллоидных растворах не происходит. Оптическая плотность фотоосажденного пятна имеет линейную зависимость от концентрации дисперсной фазы в коллоидном растворе в следующих областях концентраций, мас. ;

0,4-1,5 раствора а-As в сероуглероде; 0,040,2 раствора а -As в бензоле; 0,5-5.5 раствора а -Р в сероуглероде.

Для данных растворов в формуле (1) соотношение концентраций можно заменить соотношением оптических плотностей. В случае более концентрированных растворов можно добавить указанный органический растворитель до достижения концентрации, входящей в область линейной зависимости.

Способ осуществляют следующим образом, Пример 1, Раствор a-As в бензоле с концентрацией 0,1 мас, заливают в кварцевую оптическую кювету с расстоянием между рабочими поверхностями 10 мм. Измеряют оптическую плотность раствора с кюветой. На переднюю стенку кюветы с помощью кварцевой оптики фокусируют излучение в коротковолновой части спектра (300-360 нм) мощной ксеноновой лампы

ДКСЭл-1000 с интенсивностью излучения в сфокусированном пятне 1,25 Вт/см . Диаметр пятна излучения 2,5-3,0 мм. Производят последоватсльное экспонирование раствора в двух точках, расстояние по высоте между которымл — 2,2 см. Время экспонирования в каждой точке 120 с. Определяют суммарную оптическую плотность в обеих точках, а затем рассчитывают оптическую плотность образовавшегося осадка как раз1702253 ность значений оптической плотности до и после облучения, Получают значения оптических плотностей 0,69 и 0,63. Подставляя эти значения в преобразованную гипсометрическую формулу (2), рассчитывают сред- 5 ний радиус частиц дисперсной фазы r. / Тц 0,75= .0,49 . 10 h (2)

10 где г — средний радиус частиц дисперсной фазы, м;

00 и D, — оптическая плотность фотоосажденного пятна на нижнем уровне и на уровне, находящемся на расстоянии h or первого;

h — расстояние между точками измерения по вертикали, м.

В формуле (1) были подставлены следу- 20 ющие коэффициенты и числовые значения:

N = 6,023 10 моль

R = 8,3": Дж/моль К; б1 = 2000 кг/м; б2 = 879 кгlм ;

Т= 295 К;

g = g 81 м/с .

В результате расчета получают результат: г=-7,110 м=7,1 нм, Результат проверен по измерениям рассеяния монохромати еского излучения для разных длин волн (по методу Релея) и показал хорошее совпадение результатов, Пример 2. Раствор и источник излучения такие же, как в примере 1, Экспонирование производят в течение 140 с, энергетическая освещенность 175 Дж/см, 2

Оптические плотности образовавшегося осадка 0,70 и 0,64. Рассчитанный средний радиус частиц составляет 7,1 нм. 40

Пример 3, Раствор и источник излучения аналогичные примеру 1. Экспонирование производят в течение 160 с, энергетическая освещенность 200 Дж/см . г

Оптические плотности образовавшегося осадка 0,68 и 0,62. Рассчитанный средний радиус частиц дисперсной фазы r = 7,2 нм.

Пример 4. Раствор и источник излучения аналогичные примеру 1, Экспонирован и производится в течение 100с, 50 г энергетическая освещенность.125 Дж/см .

Оптические плотности пятен фотоосаждения 0,38 и 0,36, Рассчитанный средний радиус r = 6,0 нм.

Пример 5. Раствор и источник иэлу- 55 чения идентичные примеру 1. Экспонирование длится 180 с, энергетическая освещен2 ность составляет 225 Дж/cM . Оптическая плотность обеих пятен образовавшегося осадка составляет 1,62. Следовательно., s данных условиях предлагаемый способ неприменим для определения среднего размера частиц дисперсной фазы.

Пример б. Проведено фотоосаждение дисперсной фазы из коллоидного раствора а-As с использованием эксимерного лазера на АгЕ с длиной волны 193 нм при энергетической освещенности 200 Дж/cM г

Оптическая плотность образовавшегося осадка в пятчах соответственно: 0,112 и

0,1015. Рассчитанный средний радиус частиц дисперсной фазы составляет 7.3 нм.

Пример 7. Раствор и источник такие же, как в примере 1. Используется часть спектра с длиной волны 360-400 нм. При энергетической освещенности 200 Дж/смз оптическая плотность в пятнах образовавшегося осадка составляет 0,120 и 0,109. Рассчитанный средний радиус частиц дисперсной фазы — 7,5 нм.

Пример 8. Раствор и источник аналогичные примеру 1. Используется часть спектра с длиной волны более 400 нм.

Фотоосаждение не происходит, оптическая плотность в области пятен равна нулю.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ определения среднего размера частиц дисперсной фазы в коллоидных растворах а-As u Q-P имеет более высокую точность 10-157, (у прототипа 20-25%), Кроме того, время определения в предлагаемом способе 5-10 мин существенно меньше, чем у прототига (100-120 мин).

Формула изобретения

Способ определения среднего радиуса частиц дисперсной фазы в-коллоидных растворах а-As и й-Р, включающий осаждение дисперсной фазы из раствора, помещенного в оптическую кювету, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и ускорения определения, проводят фотоосаждение дисперсной фазы на стенку оптической кюветы в двух непрекрывающихся по вертикали -онах путем воздействия на раствор излучением с длиной волны

190-400 нм с энергетической освещенностью

150-200 Дж/см, и определяют средний радиус частиц по оптическим плотностям дисперсной фазы в полученных зонах.