ESTRUTURA E PROPRIEDADES DE

POLÍMEROS

Profa. Dra. Zaine Teixeira

Depto de Engenharia de Materiais

Microscopia

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Luz visível

Natureza da radiação eletromagnética

Características da onda eletromagnética: amplitude,

comprimento de onda e frequência.

• Microscópio Óptico:

Propagação da luz

Monocromatica: um único

Policromática: luz ‘branca’

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico:

Reflexão da luzReflexão especular: superfície plana

de um espelho refletindo a luz nomesmo ângulo de incidência

Reflexão difusa: superfícieabsorvendo azul e verde e refletindoprincipalmente vermelho em todasas direções

Diferença observada entresuperfície rugosa e superfície plana.

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico:

Refração da luzDiferença na velocidade de

propagação da luz ao passar de ummeio para outro de índice derefração diferente.

n1 x sin(1) = n2 x sin(2)Distorção em relação a posição do objeto

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico:

Difração da luz: Caso especial de espalhamento de luz em que um objetoregular e periódico produz um padrão de difração ordenado.

Difração e espalhamento permitem avisualização de estruturas.

Ao mesmo tempo, limita a resolução.

O tamanho físico da abertura determina como a abertura interage

com a luz

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico:

Lentes circulares: relacionadas com o e com o ângulo de abertura da lente

Limite de resolução: produção de imagens claramente separadas de dois pontos adjacentes por um instrumento

óptico.

Luz difratada através de uma abertura.

sen=m/d (Imáx: =0)

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico:

Disco de Airy:

Disco de Airy: representação da passagem de luz por fenda

circular no microscópio óptico.

Aumento da abertura

Ângulo de abertura: depende da razão f/D; d= raio do disco de difração

Dfd 221,

f: comprimento focal e D: diâmetro da lente

n: índice de refração do meio de imersão: ângulo de abertura

nsenNA

Abertura numérica da objetiva, NA

Na prática:

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico:

Resolução, r:

NAr

2221 ,

Exemplo: Calcule a resolução para = 450 nm (filtro azul)

e n= 1,4 (óleo de imersão).

Por quê a resolução não pode ser maior do que

~0,2 m?

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Componentes

Sistema de iluminação: lâmpada de filamento de tungstênio, arco-xenônio. Aintensidade normalmente é ajustada pelo uso de filtros densos ou variando acorrente no caso de filamento.

Caminho da iluminação de Köhler

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Lentes condensadoras

Lentes ajustáveis que são posicionadas posteriores a fonte de luz para focar aluz em um ponto.

Um diafragma de campo é posicionado em frente a lente condensadora paraminimizar claridade interna e reflexões no microscópio.

Um segundo diafragma ajustável, a abertura do diafragma, é posicionado antesdo sistema de iluminação vertical.

O controle da abertura do diafragma, abertura numérica, altera a quantidadede luz e ângulo do cone de luz que entra na objetiva.

Através da abertura do diafragma estabelece-se um compromisso entrecontraste, resolução e profundidade de campo, os quais são dependentes emgrande parte das características de absorção, difração e reflexão da amostra.

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Componentes

Filtros

São utilizados para modificar a luz para observação mais fácil, nomelhoramento da fotomicrografia ou para alterar o contraste.

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Componentes

Objetivas

Principal componente no microscópio óptico

Forma a imagem primária real ampliada.

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Componentes

Objetivas

Correções ópticas nas lentes objetivas

Aumento do nível de correção óptica

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Aberrações ópticas

Causadas por artefatos a partir da interação da luz com a lente de vidro.Principais tipos de aberrações:

Aberrações geométricas ou esféricas: as lentes não sã perfeitamente esféricasproduzindo ‘confusão’ no ponto de formação da imagem;

Aberrações cromáticas: a luz branca ao passar pela lente objetiva se decompõede acordo com a frequência do comprimento de onda. Azul é refratado a umaextensão maior seguido de verde e vermelho.

Aberração cromáticaAberração esférica

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Componentes

Ocular

A lente ocular aumenta a imagem primária da objetiva (geralmente utiliza-se10 X), produzindo uma imagem virtual a aproximadamente 250 mm daobservação visual.

O aumento é dado pelo aumento da objetiva X o aumento da ocular.

Ilustração de uma lente ocular

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Profundidade de campo

Distância entre ao longo do eixo óptico, no qual detalhes da imagem podem serobservados com nitidez

Compromisso entre resolução e profundidade de campo.

A profundidade de campo, Tf, pode ser estimada por:

: comprimento de onda da luzn: índice de refração do meioNA: abertura numérica da objetiva

Obs: quanto maior a abertura numérica da objetiva (maior aumento), menor a profundidade de campo.

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Tipos de microscópios

Transmissão

Reflexão (Metalográfico)

• Técnicas disponíveis

Campo claro

Campo escuro

Luz polarizada

Contraste de interferência

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Esquema de um microscópio óptico

Microscópio

Modo transmissão ou reflexão

Modo reflexão: espelho refletor (filme plano recoberto com prata)

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Campo claro

Na iluminação vertical por campo claro, a luz passa pela objetiva e atinge oobjeto perpendicularmente. A luz é refletida a partir da superfície através daobjetiva e ocular.

A luz incidente normal a superfície apresenta maior brilho enquanto quesuperfícies oblíquas refletem menos luz para a objetiva e aparece mais escura,dependendo do ângulo de incidência.

Contraste é produzido pela absorção da luz, brilho ou coloração.

Utilizada para análise de dispersão de pigmentos, cargas, reforços ou de outrosaditivos.

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Campo escuro

Raios diretos não entram na objetiva (inverso do campo claro).

A imagem é formada por raios espalhados (reflexão, refração e difração).

Aplicado na revelação de trincas, poros, vazios e inclusões.

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Luz polarizada

Um polarizador é posicionado na caminho da luz anteriormente a objetiva e oanalisador é posicionado logo abaixo da ocular.

Utilizado em materiais anisotrópicos

Para materiais isotrópicos: ocorre extinção da luz ao passar pelo segundopolarizador, posicionado perpendicularmente em relação ao primeiro.

Utilizada na revelação de estruturasde grãos, orientação preferencial edistinção entre diferentes fases, alémde identificação de inclusõesanisotrópicas em matrizes isotrópicas.

Microscopia óptica

A luz difratada pela amostra não é reduzida emamplitude (não é absorvida), mas é retardada devido adiferença no índice de refração da amostra.

Diferença de fase não é percebida diretamente pelo olhohumano.

Luz difratada: é acelerada ~ 1/4 em relação à luz nãodesviada.

Placa de fase (Zernike) (1/4): diferença de 1/2

A menos que haja grandes diferenças de índice derefração, a micrsocopia de campo claro tem poucautilizade em polímeros

• Microscópio Óptico: Contraste de fase

Interferência destrutiva

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Contraste porinterferência diferencial (DIC)

Dá ênfases à topologia da amostra devido autilização de iluminação oblíqua.

A luz passa através de um polarizadorposicionado abaixo da condensadora.

Passa por um prisma dividindo a luz em doisfeixes em direções um pouco diferentes.

A partir da condensadora, apresentam-separalelos e bem próximos.

Após passar pela objetiva, passa novamentepor um prisma para colimação dos feixe.

Microscopia óptica

• Microscópio Óptico: Contraste de interferência diferencial (DIC)

Aplicações: revelação de fases de diferentes durezas, defeitos em superfície defilmes; estudo de transformações de fase que resultam em relevos nasuperfície.

Microscopia óptica

Micrografia• Exemplos: Micrografia da seção fina de um polietileno

pigmentada

Campo claro Luz polarizada

A zona sem pigmento (X) possui estruturas esferulícias mais grosseiras do que as não pigmentadas, indicando que o corante é um nucleante dos esferulitos.

Microscopia óptica

• Exemplos: Compósito

Campo escuro

Imagem de campo claro (reflexão) da seção polida de um plástico (LCP) reforçado com fibras de carbono moldado por injeção

Revelação da orientação das fibras

Microscopia óptica

• Exemplos: Amostra de napa de PVC contendo carbonato de cálcio

Campo escuro: matriz escura e partículas claras maiores de carbonato de cálcio ou menores de pigmento.

Visualização de estrutura do tipo colméia

Microscopia óptica

• Exemplos: Amostra de polietileno misturado com borracha (partículas claras)

Contraste de fase: sensível a variações do índice de refração

Microscopia óptica

• Exemplos: Visualização dos agregados cristalinos (anisotrópicos)

A dimensão e a forma dos agregados esferulíticos varia com o estado de degradação do polímero.

Microscopia óptica

• Preparação de amostra para microscopia óptica:

Microtomia: preparação de seções finas (entre 1 e 40 m) para observação pormicroscopia de transmissão.

Polimento: Similar ao empregado em metalografia. Pode-se fazer embutimentosem resina epóxi ou acrília. Utiliza-se lixas dágua e pastas de polimento comgranulometria decrescente.

Microscopia óptica

• Microscopia eletrônica de transmissão (TEM)

Diferença na fonte de iluminação: elétrons ao invés de luz visível.

Sistemas de lentes eletromagnéticas.

A amostra é colocada sobre uma pequena tela de cobre ou aço inox (grid).

A incidência do feixe de elétrons é feita após colimação e focagem.

A espessura da amostra depende da voltagem aplicada, mas no geral, nãopassa de 1 m.

O contraste é formado pelas variações de densidade eletrônica da amostra.

Em polímeros normalmente se utiliza técnicas de tingimento (staining) paraobtenção de um melhor contraste.

Microscopia Eletrônica

• Microscopia eletrônica de varredura (SEM)

Análise de superfície de amostras.

O feixe de elétrons varre a superfície da amostra

A imagem é produzida coletando-se elétrons secundários emitidos da superfícieexcitada da amostra.

As imagens apresentam aparência em três dimensões devido a altaprofundidade de campo.

Microscopia Eletrônica