实验3光学显微镜法观察聚合物的结晶形态.doc

实验3 光学显微镜法观察聚合物的结晶形态1. 实验目的（1）熟悉偏光显微镜的构造及原理，掌握偏光显微镜的使用方法。（2）学习用熔融法制备聚合物球晶，观察不同结晶温度下得到的球晶的形态，测量聚合物球晶的半径。2. 实验原理 晶体和无定形体是聚合物聚集态的两种基本形式，很多聚合物都能结晶。结晶聚合物材料的实际使用性能（如光学透明性、冲击强度等）与材料内部的结晶形态、晶粒大小及完善程度有着密切的联系。因此，对于聚合物结晶形态等的研究具有重要的理论和实际意义。聚合物在不同条件下形成不同的结晶，比如单晶、球晶、纤维晶等等，聚合物从熔融状态冷却时主要生成球晶，它是聚合物结晶时最常见的一种形式，对制品性能有很大影响。球晶是以晶核为中心成放射状增长构成球形而得名，是“三维结构”。但在极薄的试片中也可以近似的看成是圆盘形的“二维结构”，球晶是多面体。由分子链构成晶胞，晶胞的堆积构成晶片，晶片迭合构成微纤束，微纤束沿半径方向增长构成球晶。晶片间存在着结晶缺陷，微纤束之间存在着无定形夹杂物。球晶的大小取决于聚合物的分子结构及结晶条件，因此随着聚合物种类和结晶条件的不同，球晶尺寸差别很大，直径可以从微米级到毫米级，甚至可以大到厘米。球晶分散在无定形聚合物中，一般说来无定形是连续相，球晶的周边可以相交，成为不规则的多边形。球晶具有光学各向异性，对光线有折射作用，因此能够用偏光显微镜进行观察。聚合物球晶在偏光显微镜的正交偏振片之间呈现出特有的黑十字消光图象。有些聚合物生成球晶时，晶片沿半径增长时可以进行螺旋性扭曲，因此还能在偏光显微镜下看到同心圆消光图象。偏光显微镜的最佳分辨率为200 nm，有效放大倍数超过5001000倍，与电子显微镜、X射线衍射法结合可提供较全面的晶体结构信息。 光是电磁波，也就是横波，它的传播方向与振动方向垂直。但对于自然光来说，它的振动方向均匀分布，没有任何方向占优势。但是自然光通过反射、折射或选择吸收后，可以转变为只在一个方向上振动的光波，即偏振光。一束自然光经过两片偏振片，如果两个偏振轴相互垂直，光线就无法通过了。光波在各向异性介质中传播时，其传播速度随振动方向不同而变化，折射率值也随之改变，一般都发生双折射，分解成振动方向相互垂直、传播速度不同、折射率不同的两条偏振光。而这两束偏振光通过第二个偏振片时，只有在与第二偏振轴平行方向的光线可以通过。而通过的两束光由于光程差将会发生干涉现象。在正交偏光显微镜下观察，非晶体聚合物因为其各向同性，没有发生双折射现象，光线被正交的偏振镜阻碍，视场黑暗。球晶会呈现出特有的黑十字消光现象，黑十字的两臂分别平行于两偏振轴的方向。而除了偏振片的振动方向外，其余部分就出现了因折射而产生的光亮。如图27是等规聚丙烯的球晶照片。 图27 等规聚丙烯的球晶照片在偏振光条件下，还可以观察晶体的形态，测定晶粒大小和研究晶体的多色性等等。3. 实验仪器及试剂 （1）偏光显微镜XPT7一台（如图28，或其它带摄影装置的偏光显微镜）、附件一盒、擦镜纸、镊子。 （2）压片机、控温仪、电炉。 （3）盖玻片、载玻片。 （4）聚丙烯薄膜或粒料。图2-8 XPT-7型偏光显微镜1、目镜，2、镜筒，3、勃氏镜，4、粗动手轮，5、微调手轮，6、镜臂，7、镜座，8、上偏光镜，9、试板孔，10、物镜，11、载物台，12、聚光镜，13、锁光圈，14、下偏光镜，15、反光镜4. 实验步骤 （1）试样制备 1）切一小块聚丙烯薄膜或1/51/4粒料，放于干净的载玻片上，使之离开玻片边缘，在试样上盖上一块盖玻片。 2）预先把压片机加热到240，将聚丙烯样品在电热板上熔融（试样完全透明），加压成膜保温2min，然后迅速转移到50的热台使之结晶。把同样的样品在熔融后于100和0条件下结晶。（2）调节显微镜 1）预先打开汞弧灯10 min，以获得稳定的光强，插入单色滤波片。 2）去掉显微镜目镜，起偏片和检偏片置于90。边观察显微镜筒，边调节灯和反光镜的位置，如需要可调整检偏片以获得完全消光（视野尽可能暗）。（3）测量球晶直径聚合物晶体薄片放在正交显微镜下观察，用显微镜目镜分度尺测量球晶直径，测定步骤如下： 1）将带有分度尺的目镜插入镜筒内，将载物台显微尺置于载物台上，使视区内同时见两尺。 2）调节焦距使两尺平行排列、刻度清楚，并使两零点相互重合，即可算出目镜分度尺的值。3）取走载物台显微尺，将预测之样品置于载物台视域中心，观察并记录晶形，读出球晶在目镜分度尺上的刻度，即可算出球晶直径大小。5. 实验报告 （1）记录制备试样的条件，简绘实验所观察到的球晶状态图；（2）写出显微镜标定目镜分度尺的标定关系，计算球晶的直径；（3）讨论影响球晶生长的主要因素。6. 问题与讨论 （1）聚合物结