TEM-Präparation von Polymeren und Verbundwerkstoffen

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Theodor Richter
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1 TEM-Präparation von Polymeren und Verbundwerkstoffen Karin Wewerka FELMI, TU Graz, und ZFE Graz Workshop Mikroskopie von Polymeren und Verbundwerkstoffen Graz, 2. Februar

2 Inhalt 1. Probenvorbereitung für die Mikrotomie 2. Ultramikrotomie Ultramikrotome und Messer Das Schneiden im Ultramikrotom Kryo-Ultramikrotomie 3. Mikroskopie LIMI Lichtmikroskopie TEM Transmissionselektronenmikroskopie 4. Beispiele aus der Praxis 2

3 Probenvorbereitung für die Mikrotomie Wahl der Präparation Problemstellung Untersuchungsmethode Präparation 3

Ultradünnschnitt: (50 150nm) TEM Semidünnschnitt:

4 Probenvorbereitung für die Mikrotomie Präparation von Dünnschnitten Anschnitt: REM, AFM, LIMI Ultradünnschnitt: (50 150nm) TEM Semidünnschnitt: (0.5-10µm) LIMI, FT-IR cellulose HIPS EDX AFM FT- IR Quelle: 1 4

5 Probenvorbereitung für die Mikrotomie 1. Probenentnahme aus einer kompakten Probe: Heterogene Probe Homogene Probe 2. Einbettung von Proben: Pulver Folien Fasern Papiere 3. Trimmen der Probe: Fräsen mit der Diamantsäge Nachbearbeitung mit dem Trimm-Messer 4. Kontrastierung der Probe mit RuO 4 oder OsO 4 : Polymere Biologische Proben 5. Schneiden im Ultramikrotom: Herstellung von Anschnitten, Semi- bzw. Ultradünnschnitten 5

6 Probenvorbereitung für die Mikrotomie 1. Probenentnahme aus einer kompakten Probe: Heraussägen von Probekörpern aus harten Objekten Homogene Probe Heterogene Probe entscheidend sind Form, Größe und Position des Probekörpers Beispiele für heterogene Proben: Dispergierte Partikel Große, unterschiedliche Partikel Co-extrudierte Probe Große, unterschiedliche Phasen Lamellare oder orientierte Morphologie Quelle: 2 6

7 Probenvorbereitung für die Mikrotomie 2. Einbettung von Proben pulverförmige Proben kleine Bruchstücke weiche und / oder sehr dünne Materialien (Folien, Papiere, Fasern) Einbettformen: Einbettmittel: Gelatinekapsel SpeciFix-40 Kit, EpoFix Kit (Struers) Flacheinbettformen Zwei-Komponten-Epoxyharze 3. Trimmen der Probe 1. Fräsen mit der Diamantsäge 2. Nachbearbeitung mit dem Trimm-Messer Leica EM TRIM Quelle: 3 7

8 Probenvorbereitung für die Mikrotomie 4. Kontrastierung der Probe mit RuO 4 oder OsO 4 : Gleichzeitige Kontrastierung und Härtung der Probe RuO 4 : lagert sich in Regionen geringerer Dichte ein, Reaktion mit Aromaten OsO 4 : reagiert mit ungesättigten Verbindungen (-C=C-) Multikomponentensysteme (z.b. Polymerblend): Ermöglicht Unterscheidung der einzelnen Polymerphasen und deren Morphologien Teilkristalline Polymere: zur Unterscheidung von amorphen und teilkristallinen Regionen Kontrastierung der getrimmten Probe oder der Dünnschnitte Quelle: 2 8

9 Ultramikrotomie Ultramikrotome - Messer Reichert Jung Ultracut E Leica Ultracut UCT Probenhalter Probe Diamantmesser Glasmesser Diamantmesser Kryo-Diamantmesser 9

10 Ultramikrotomie Das Schneiden mit dem Ultramikrotom Deckglas Objektträger Semidünnschnitt (0,5 5µm) Immersionsöl Trägernetzchen für Ultradünnschnitte (50 85nm) Quelle: 3 10

11 Ultramikrotomie Das Kryo-Ultramikrotom Abkühlung der Probe mit flüssigem Stickstoff unter ihre Glasumwandlungstemperatur von -30 C bis -170 C Messer und Präparat sind getrennt kühlbar Gute Beobachtung des Schneidevorganges ohne Behinderung durch Vereisung der Probe Schneiden von Proben im Semi- und Ultradünnschnittbereich: Semidünnschnitte: 0,5µm - 5µm Ultradünnschnitte: 50-85nm Trockenschneiden: Aufnahme der Schnitte mit Öse und einen Tropfen Zuckerlösung Nass-Schneiden mit DMSO als Abschwimmflüssigkeit Leica Ultracut UCT mit Leica EMFCS 11

12 Mikroskopie Das Lichtmikroskop Optische Vergrößerung von Objekten durch Einsatz von Linsensystemen Maximale Auflösung: ca. 0,5µm Verfahren: Auflichtmikroskopie: Bestrahlung des Objektes von oben (z.b. Probenanschnitt) Durchlichtmikroskopie: Durchstrahlung des Objektes von unten (z.b. Semidünnschnitt, transparente Probe) Zeiss Axioplan Polarisationsmikroskop 12

13 Mikroskopie Transmissionselektronenmikroskopie Präparat im TEM: Hochvakuum Hohe Energiebelastung bei Durchstrahlung mit Elektronenstrahl Elektronentransparente Probe: Dünnschnitte (50 85nm) erforderlich Meist Kontrastierung oder Energiefilterung erforderlich um Strukturen erkennbar zu machen Tecnai 12 13

14 Beispiele für TEM und LIMI ABS (Acrylnitril-butadien-styrol) TEM, Kontrastierung mit OsO 4 14

15 Beispiele für TEM und LIMI LIMI: Sphärolithe Homo-Polypropylen Kontrastierung mit RuO 4 TEM: Lamellen 15

16 Beispiele für TEM und LIMI Polyethylen versetzt mit Additiven TEM, Kontrastierung mit RuO 4 16

17 Beispiele für TEM und LIMI UHMW-PE gesintert TEM, Kontrastierung mit RuO 4 LIMI SE Abbildung RE-Abbildung 17

18 Beispiele für TEM und LIMI PP / EPR (Ethylen Propylen Rubber) TEM, Kontrastierung mit RuO 4 18

19 Beispiele für TEM und LIMI Polymerblend TEM, Kontrastierung mit RuO 4 19

20 Beispiele für TEM und LIMI Bilder 1,2,3: LIMI von Anschnitten Bild 4: TEM, unkontrastiert Mehrschichtfolie: 5 Schichten

21 Beispiele für TEM und LIMI TEM: Untersuchung der Nanoschicht entlang eines unkontrastierten Ultradünnschnittes 21

22 Beispiele für TEM und LIMI Polymerfolie mit Carbon- Nanotubes TEM, unkontrastiert 22

23 Beispiele für TEM und LIMI Polymer-Schicht: Typ A Einbettmittel Mehrlagenfolie: 4 Schichten Polymer-Schicht: Typ A Polymer-Schicht: Typ B Kryo-Anschnitt unkontrastiert Oxid-Schicht Einbettmittel LIMI: Anschnitt 23

24 Beispiele für TEM und LIMI Vermessung der Oxidschicht TEM, Kontrastierung mit RuO 4 Vermessung der Polymerschicht Typ B Unkontrastierter Kryo- Ultradünnschnitt 24

$1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 ATR-FTIR-Image Z:\Isovolta\A12360\i12360-fpa-005.$

25 Beispiele für TEM und LIMI Untersuchung von Fehlstellen in einer Polymerfolie ATR-FTIR-Image Z:\Isovolta\A12360\i12360-fpa schwarze Folie - Einschluss (Schnitt) Hyperion; FPA ATR Seite 1 von 1 LIMI, Anschnitte 25

26 Beispiele für TEM und LIMI Mehrschichtfolie: 7 Schichten S5 LIMI S3 S1 S2 unkontrastiert Kontrastierung mit RuO 4 Spalt 26

27 Beispiele für TEM und LIMI Mehrschichtfolie TEM PE Lamellen in PP - Matrix Anorganische Partikel 27

28 Danksagung an unsere Kooperationspartner aus der Industrie für die Genehmigung der Verwendung von Bildern an meine Kolleginnen und Kollegen des Instituts, besonders Herrn Gerald Kothleitner, Frau Claudia Mayrhofer, Herrn Boril Chernev und Herrn Peter Wilhelm Literatur Ultramicrotomy, Practical Methods in Electron Microscopy, N. Reid, A. M. Glauert (1975) Methodensammlung in der Elektronenmikroskopie, G. Schimmerl, W. Vogell (1983) Nanoscale artifacts in RuO4-stained Poly(styrene), T.M. Chou, et al., Polymer 43 (2002), Spherulitic morphology of isotactic PP, M. Aboulfaraj et al., Polymer 34 (1993), Quelle 1: Leica Microsystems (2010) Quelle 2: Bob Vastenhout, DOW Benelux B. V. (2010) Quelle 3: G. H. Michler, W. Lebek, Ultramikrotomie in der Materialforschung, Verlag Hanser (2004) 28

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