СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ ПО РАЗМЕРАМ В ВОДНОМ РАСТВОРЕ
METHOD FOR MEASURING DISTRIBUTION FUNCTION OF COLLOIDAL PARTICLES BY SIZE IN AQUEOUS SOLUTION

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)].
-6
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 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.
3
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 - 10 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
i
i
i
i
i
i
где E - напряженность электрического поля, d, n и τ - дипольный момент, концентрация частиц в суспензии и время релаксации частиц i-го типа, а дипольный момент является функцией радиуса частицы d=d(r), из полученного выражения для диэлектрических проницаемостей компьютерной обработкой производят построение гистограммы распределения коллоидных частиц, ордината которой пропорциональна радиусу r 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.