Способ измерения функции распределения коллоидных частиц по размерам в водном растворе

Изобретение относится к физике коллоидов и может быть использовано для определения функции распределения коллоидных частиц по размерам. Заявлен способ измерения функции распределения коллоидных частиц по размерам в водных растворах, включающий помещение исследуемого коллоидного раствора в ячейку, представляющую собой плоский конденсатор, поляризацию раствора под действием внешнего электрического поля с напряженностью 1-10³ В/см, измерение характеристик среды, их компьютерную обработку. Согласно изобретению измеряемыми характеристиками среды являются частотная зависимость импеданса Z(ω) и угла ϕ(ω) сдвига фаз, на основе которых компьютерной обработкой получают выражение для действительной ε' и мнимой ε'' диэлектрических проницаемостей, сумма которых описывается формулой

где E - напряженность электрического поля, d_i, n_i и τ_i - дипольный момент, концентрация частиц в суспензии и время релаксации частиц i-го типа, а дипольный момент является функцией радиуса частицы d_i=d(r_i), из полученного выражения для диэлектрических проницаемостей компьютерной обработкой производят построение гистограммы распределения коллоидных частиц, ордината которой пропорциональна радиусу r_i коллоидной частицы i-го типа, а центр столбца по оси абсцисс расположен в значении средней концентрации частиц i-го типа. Технический результат - повышение точности и надежности определения распределения по размерам коллоидных частиц.

 

Изобретение относится к физике коллоидов и может быть использовано для определения функции распределения коллоидных частиц по размерам.

Существующие методы измерения размеров наночастиц, в том числе и коллоидных [В.А.Волков Коллоидная химия (Поверхностные явления и дисперсные системы). Учебник. МГТУ им. А.Н. Косыгина. М., 2001, 640 с.], в большинстве случаев основаны на явлении динамического рассеяния света (ДРС) (фотонной корреляционной спектроскопии), а именно - на измерении флуктуации интенсивности лазерного излучения, рассеянного коллоидными частицами, совершающими броуновское движение под действием ударов молекул жидкости [B.J. Berne, R. Pecora. Dynamic light scattering with application to chemistry, biology and physics. Dover Publ. Inc. NY (2000); H.G.Merkus. Particle size measurements: fundamentals, practice, quality. Springer Science + Business Media B.V. NY (2009)].

Основным недостатком метода ДРС является то, что для полидисперсных систем вклад малых частиц маскируется вкладом больших частиц. Это связано с тем, что в релеевском пределе, справедливом для субмикронных частиц, вероятность рассеяния света пропорционально 6-й степени их эффективного радиуса [М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М., Наука, 1973]. Поэтому, например, если в растворе содержится 2%-ная фракция больших частиц, радиус которых всего в 2 раза превышает радиус частиц основной 98%-ной фракции, вклад обеих фракций в общую интенсивность рассеянного света будет сравним. Если же радиус малого числа больших частиц в 10 раз превышает радиус частиц основной фракции, то равенство интенсивностей рассеянного света наступает уже при концентрации больших частиц, составляющей 10^-6 от концентрации частиц основной фракции.

Известны модификации оптических (включая волноводные) методов определения размеров коллоидных частиц [Патенты РФ №2321840, МПК G01N 15/02, опубл. 03.07.2006; РФ №2351912, МПК G01N 15/02, опубл. 20.11.2007; РФ №2460988, МПК G01N 15/02, G01N 21/51, опубл. 01.06.2011)]. Все они отличаются сложностью и высокой стоимостью приборной базы, необходимостью точной юстировки оптических схем, а в некоторых случаях и использованием эталонных объектов.

Известные способы соответствующих ультразвуковых измерений [РФ №2376581, МПК G01N 15/02, опубл. 09.12.2004] пригодны для определения размеров макрочастиц, но не могут быть применены для систем из субмикронных и наночастиц.

Наиболее близким является способ по заявке РФ №2013115018 (МПК G01N 15/02, опубл. 10.10.2014) авторов настоящего изобретения, согласно которому гидродинамический радиус коллоидных частиц вычисляют из зависимости от коэффициентов вращательной диффузии диспергированных частиц, измерение которого проводят в ячейке, представляющей собой плоский конденсатор, после поляризации раствора.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности и точности при нахождении функции распределения коллоидных частиц по размерам без усложнения методики измерения.

Технический результат заключается в разработке простого и недорогого способа измерения распределения размеров частиц, позволяющего с высокой надежностью определять распределение по размерам коллоидных частиц.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения функции распределения коллоидных частиц по размерам в водных растворах, включающем помещение исследуемого коллоидного раствора в ячейку, представляющую собой плоский конденсатор, поляризацию раствора под действием внешнего электрического поля с напряженностью 1 - 10³ В/см, измерение характеристик среды, их компьютерную обработку, согласно изобретению измеряемыми характеристиками среды являются частотная зависимость импеданса Z(ω) и угла ϕ(ω) сдвига фаз, на основе которых компьютерной обработкой получают выражение для действительной ε' и мнимой ε'' диэлектрических проницаемостей, сумма которых описывается формулой

где E - напряженность электрического поля, d_i, n_i и τ_i - дипольный момент, концентрация частиц в суспензии и время релаксации частиц i-го типа, а дипольный момент является функцией радиуса частицы d_i=d(r_i), из полученного выражения для диэлектрических проницаемостей компьютерной обработкой производят построение гистограммы распределения коллоидных частиц, ордината которой пропорциональна радиусу r_i коллоидной частицы i-го типа, а центр столбца по оси абсцисс расположен в значении средней концентрации частиц i-го типа.

Известно, что коллоидные частицы в воде приобретают постоянный дипольный момент вследствие «прилипания» молекул воды к поверхности коллоидной частицы [Н.А. Толстой, А.А. Спартаков. Электрооптика и магнитооптика дисперсных систем. Изд-во СПбГУ, 1996]. Коллоидный раствор, помещенный в ячейку, представляющую собой плоский конденсатор, между обкладками которого приложено внешнее напряжение, поляризуется под действием внешнего электрического поля: дипольные моменты коллоидных частиц ориентируются преимущественно вдоль поля. После выключения поля начинается процесс диэлектрической релаксации, вызванный тепловой разориентацией дипольных моментов частиц, что приводит к временному изменению диэлектрического отклика системы (коллоидного раствора), измеряемого с помощью RLC-метра или измерителя импеданса.

Измеряется частотная зависимость импеданса Z и угла ϕ сдвига фаз, по которым рассчитываются в автоматическом режиме действительная ε' и мнимая ε'' части диэлектрической проницаемости. Из этих зависимостей с помощью специальной компьютерной программы находится распределение частиц по размерам.

Способ измерения функции распределения коллоидных частиц по размерам в водных растворах, включающий помещение исследуемого коллоидного раствора в ячейку, представляющую собой плоский конденсатор, поляризацию раствора под действием внешнего электрического поля с напряженностью 1-10³ В/см, измерение характеристик среды, их компьютерную обработку, отличающийся тем, что измеряемыми характеристиками среды являются частотная зависимость импеданса Z(ω) и угла ϕ(ω) сдвига фаз, на основе которых компьютерной обработкой получают выражение для действительной ε' и мнимой ε'' диэлектрических проницаемостей, сумма которых описывается формулой

где Е - напряженность электрического поля, d_i, n_i и τ_i - дипольный момент, концентрация частиц в суспензии и время релаксации частиц i-го типа, а дипольный момент является функцией радиуса частицы d_i=d(r_i), из полученного выражения для диэлектрических проницаемостей компьютерной обработкой производят построение гистограммы распределения коллоидных частиц, ордината которой пропорциональна радиусу r_i коллоидной частицы i-го типа, а центр столбца по оси абсцисс расположен в значении средней концентрации частиц i-го типа.