Structural characterisation via C-14-PMMA impregnation technique: Method and application development

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3708-1
Title: Structural characterisation via C-14-PMMA impregnation technique: Method and application development
Author: Sammaljärvi, Juuso
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Chemistry, Radiokemia
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Report Series in Radiochemistry - URN:ISSN:0358-7746
Abstract: The C-14 polymethyl methacrylate (C-14-PMMA) impregnation technique is used to analyse the spatial distribution of porosity. As such, this work focuses on two interlinked aims: to further develop the C-14-PMMA impregnation technique, particularly the polymerisation and autoradiography steps; and to further develop its application extending it from granitic materials to fine-grained structures such as clays as well. To achieve these aims, method development focused on making the C-14-PMMA impregnation technique more flexible and suitable to a wide variety of conditions while maintaining its robustness. As such, we investigated the use of thermally degrading initiators and other impregnants. Thus, we examined the use of thermally degrading initiators as a way of completing the entire sample handling procedure in a laboratory without necessitating transportation to irradiation facilities, which are currently rare. Furthermore, we studied the use of a water-soluble comonomer, 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), to allow for the possibility of impregnating water-saturated matrices in future, the focus of articles I and II. The second aim focused on the application-related development for the C-14-PMMA impregnation technique and tailoring the methodology to suit the different applications. Towards this end, we compared our results with those obtained via previously used methodologies and other measurement techniques. As such, the C-14-PMMA impregnation technique can be linked to multiple other techniques, providing comprehensive information on the materials studied. In this study, we examined the mineral porosities of rock at the centimetre scale using C-14-PMMA autoradiography (AG) and at the micrometre scale using scanning electron microscopy (SEM) imaging with the aim of studying the effect of the mineral structure on the spatial distribution of porosity. This is detailed in article III. We also studied the fixation of a contrast agent that does not require pressurised intrusion used to image the connected porosity of crystalline rock through SEM and X-ray tomography. In this case, impregnation with methyl methacrylate (MMA) served to fix the contrast agent in place. This research is described in article IV. Our results from the method development studies show that polymerisation can be reliably accomplished within crystalline rock using thermally degrading initiators with no notable drawbacks. We also found that clay rock could be impregnated and the impregnant could be polymerised with the same initiators as well. The two-monomer mixtures (100% C-14-labelled methyl methacrylate (C-14-MMA) and a mixture of 75% HEMA and 25% C-14-MMA) yielded fairly similar results and were consistent with reference values. The application development studies show that valuable information may be gained by combining the spatial distribution of the porosity with spatial information on the mineral structures. The contrast agent for SEM and X-ray tomography was successfully fixed in place by impregnation and polymerisation, and the contrast improved through both imaging techniques.C-14-polymetyylimetakrylaatti (C-14-PMMA)-impregnointitekniikkaa käytetään huokoisuuden paikkakohtaisen jakautumisen määritykseen senttimetrien kokoisissa kivinäytteissä. Tässä työssä on ollut kaksi toisiinsa sidottua päämäärää. Ensimmäinen on tekniikan kehitys, erityisesti polymeroinnin ja kuvantamisen suhteen. Toisena päämääränä on ollut uusien sovelluksien käyttöönotto. Kiteisten kivien lisäksi myös hienojakoisten materiaalien, esimerkiksi savien, huokoisuuksia on määritetty ja näiden kivien erikoispiirteet on otettu huomioon menetelmäkehityksessä. Näiden päämäärien saavuttamiseksi pyrittiin menetelmäkehityksessä lisäämään C-14-PMMA-impregnointitekniikan joustavuutta tinkimättä kuitenkaan luotettavuudesta. Tutkimus painottui lämpöherkkien initiaattoriyhdisteiden ja vaihtoehtoisten akrylaattien käyttöönottoon. Lämpöherkkien initiaattoreiden käyttöönotto sallii koko näytteenkäsittelyn tapahtuvan samassa laboratoriossa ilman tarvetta siirtää näytettä säteilytyslaitokseen, jotka ovat yhä harvinaisempia. Tämän lisäksi tutkimme vesiliukoisen 2-hydroksietyyli metakrylaatin (HEMA) käyttöä vesisaturoitujen näytematriisien huokoisuusmäärityksiä ajatellen. Tutkimuksen toinen päämäärä, huokoisuuden määrittäminen erilaisissa sovelluksissa ja eri määritysmenetelmien yhdistäminen C-14-PMMA menetelmällä saataviin tuloksiin, keskittyi impregnointitekniikan kuvantamisosuuden räätälöintiin eri sovelluksia varten. Tässä työssä on C-14-PMMA impregnointitekniikan rinnalla käytetty kahta eri tekniikkaa materiaalien rakenteen 2D ja 3D kuvantamiseksi. Mineraalien huokoisuudet määritettiin C-14-PMMA tekniikalla ja niiden alkuainekoostumukset pyyhkäisyelektronimikroskopiaa (SEM) ja energiadispersiivistä rötgenspektroskopiaa käyttäen selvittääksemme huokoisuuden ja mineraalikoostumuksensuhdetta. Tutkimme myös SEM- ja röntgentomografia-kuvantamisen herkkyyden parantamista näytteisiin imeytetyllä kontrastinvahvistimella, joka ei vaadi paine-avusteista imeytysmenettelyä. Tämä kontrastinvahvistin tunkeutui diffuusiolla ensiksi näytteen sisään ja sen jälkeen kiinnitettiin paikalleen imeyttämällä metyylimetakrylaattia ja polymeroimalla se näytteen huokosiin. Tulokset menetelmänkehityksestä osoittivat, että polymerointi voidaan toteuttaa luotettavasti kiteisessä kivessä käyttäen lämpöherkkiä initiaattoriyhdisteitä, ilman merkittäviä haittapuolia. Tulosten perusteella voitiin myös todeta, että savikivi voidaan impregnoida, ja impregnantti polymeroida samoilla initiaattoriyhdisteillä kuin kiteisen kiven tapauksessa. Kaksi käytettyä akrylaattiseosta (100 % C-14-leimattu metyylimetakrylaatti (C-14-MMA) ja seos, jonka koostumus oli 75 % HEMA: ja 25 % C-14-MMA) johtivat kumpikin samanlaisiin tuloksiin ja olivat vertailukelpoisia huokoisuuksien viitearvojen kanssa. Hyödyllistä tietoa saatiin yhdistämällä tulokset paikkakohtaisesta huokoisuudesta (C-14-PMMA impregnointitekniikka), mineraalikoostumuksesta (SEM-EDS) ja huokoisuuden rakenteesta (Röntgentomografia). SEM:ssa ja röntgentomografiassa käytetty kontrastinvahvistin saatiin onnistuneesti kiinnitettyä käytetyllä impregnointi- ja polymerointimenettelyllä ja erotuskykyä saatiin parannettua kummassakin kuvantamistekniikassa.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3708-1
http://hdl.handle.net/10138/228041
Date: 2017-12-08
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Structur.pdf 5.708Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record