實驗六 偏光顯微鏡法觀察聚合物球晶形態(tài)

1、實驗六：偏光顯微鏡法觀察聚合物結(jié)晶形態(tài)一、實驗?zāi)康?. 了解偏光顯微鏡的結(jié)構(gòu)及使用方法。2. 了解球晶黑十字消光圖案的形成原理。3. 觀察聚合物的結(jié)晶形態(tài)，理解影響聚合物球晶大小的因素。二、實驗原理用偏光顯微鏡研究聚合物的結(jié)晶形態(tài)是目前實驗室中較為簡便而實用的方法。隨著結(jié)晶條件的不用，聚合物的結(jié)晶可以具有不同的形態(tài)，如：單晶、樹枝晶、球晶、纖維晶及伸直鏈晶體等。而球晶是聚合物結(jié)晶中一種最常見的形式。在從濃溶液中析出或熔體冷卻結(jié)晶時，聚合物傾向于生成這種比單晶復(fù)雜的多晶聚集體，通常呈球形，故稱為“球晶”。球晶的大小取決于聚合物的分子結(jié)構(gòu)及結(jié)晶條件，因此隨著聚合物種類和結(jié)晶條件的不同，球晶尺寸差別

2、很大，直徑可以從微米級到毫米級，甚至可以大到厘米。球晶尺寸主要受冷卻速度、結(jié)晶溫度及成核劑等因素影響。球晶具有光學(xué)各向異性，對光線有折射作用，因此能夠用偏光顯微鏡進(jìn)行觀察，該法最為直觀，且制樣方便、儀器簡單。聚合物球晶在偏光顯微鏡的正交偏振片之間呈現(xiàn)出特有的黑十字消光圖象。有些聚合物生成球晶時，晶片沿半徑增長時可以進(jìn)行螺旋性扭曲，因此還能在偏光顯微鏡下看到同心圓消光圖象。對小于幾微米的球晶則可用電子顯微鏡進(jìn)行觀察或采用激光小角散射法等進(jìn)行研究。偏光顯微鏡的最佳分辨率為200nm，有效放大倍數(shù)超過500-1000倍，與電子顯微鏡、X射線衍射法結(jié)合可提供較全面的晶體結(jié)構(gòu)信息。光是電磁波，也就是橫波

3、，它的傳播方向與振動方向垂直。但對于自然光來說，它的振動方向均勻分布，沒有任何方向占優(yōu)勢。但是自然光通過反射、折射或選擇吸收后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)橹辉谝粋€方向上振動的光波，即偏振光(如圖1-1，箭頭代表振動方向，傳播方向垂直于紙面)。a) b)圖1-1 自然光和線偏振光的振動現(xiàn)象a) 自然光 b) 線偏振光圖1-2 共聚聚丙烯在145 oC時的球晶照片用偏光顯微鏡觀察球晶結(jié)構(gòu)是根據(jù)聚合物晶體具有雙折射性質(zhì)。當(dāng)一束光線進(jìn)入各向同性的均勻介質(zhì)中，光速不隨傳播方向而改變，因此各方向都具有相同的折射率。而對于各向異性的晶體來說，其光學(xué)性質(zhì)是隨方向而異的。當(dāng)光線通過它時，就會分解為振動平面互相垂直的兩束光，它們

4、的傳播速度除光軸方向外，一般是不相等的，于是就產(chǎn)生兩條折射率不同的光線，這種現(xiàn)象稱之為雙折射。晶體的一切化學(xué)性質(zhì)都是和雙折射有關(guān)。在正交偏光顯微鏡下觀察，當(dāng)高聚物處于熔融狀態(tài)時，呈現(xiàn)關(guān)學(xué)各向同性，沒有發(fā)生雙折射現(xiàn)象，光線被正交的偏振鏡阻礙，視場黑暗。球晶會呈現(xiàn)出特有的黑十字消光現(xiàn)象，黑十字的兩臂分別平行于兩偏振軸的方向。而除了偏振片的振動方向外；其余部分就出現(xiàn)了因折射而產(chǎn)生的光亮。高聚物自熔體冷卻結(jié)晶后，成為光學(xué)各向異性體，當(dāng)結(jié)晶體的振動方向與上、下偏光鏡振動方向不一致時，視野明亮，就可以觀察到晶體，如圖1-2是共聚聚丙烯在145 oC時的球晶照片。三、實驗儀器和材料偏光顯微鏡，熔融裝置，結(jié)晶

5、裝置，鑷子，載玻片，蓋玻片，聚丙烯偏光顯微鏡如圖1-3所示。圖1-3 偏光顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖四、實驗步驟1、將加熱臺的溫度調(diào)整到250左右，在加熱臺上放上載玻片，并將一小顆聚丙烯試樣放在載玻片上，蓋上蓋玻片，熔融后用鑷子小心地壓成薄膜狀。做兩塊同樣的試樣，做好后保溫片刻，將其中的一片取出放在石棉板上以較快的速度冷卻，另一片放在已升溫至250左右的烘箱內(nèi)并關(guān)掉加熱電源，以較慢的速度冷卻待用。2、將載有樣品的載玻片移至顯微鏡載物臺上。拉出顯微鏡檢偏鏡，調(diào)節(jié)樣品位置使光線通過。調(diào)節(jié)焦距至視場清晰，推入檢偏鏡，觀察球晶結(jié)晶完成后的形態(tài)、消光黑十字及同心圓環(huán)現(xiàn)象，并拍照保存，在照片上任選3個球晶，測量半徑，并比較不同冷卻速度下的結(jié)晶形態(tài)差異。五、實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理記錄聚合物球晶試樣的制備條件以及觀察