SEM在高分子结构研究中的应用.doc

SEM在高分子结构研究中的应用摘要:讨论了扫描电子显微镜(SEM)在高分子材料研究中的应用。说明sem在高分子材料的微观结构形态分析、界面控制、断裂机制、增韧机理等研究中发挥着举足轻重的作用。关键词:扫描电子显微镜; 高分子材料; 界面形态 增韧机理一 SEM的工作原理及特点扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope)，简称SEM，是一种大型的分析仪器，是3 0 年代中期发展起来的一种新型 电镜，是一种多功能的电子显微分析仪器，主要功能是对固态物质的形貌显微分析和对常规成分的微区分析，广泛应用于化工、材料、医药、生物、矿产、司法等领域。扫描电镜所能显示各种图像的依据是电子与物质的相互作用，当高能入射电子束轰击样品表面，由于入射电子柬与样晶间的相互作用， 将有 9 9 %上的入射电子能量转变成样品热能。约1%的入射电子 能量，将从样品中激发出各种有用的信息， 包括二次电子、透射电子、俄歇电子、x射线等不同的信息，反映样品本身不同的物理、 化学性质 扫描电镜的功能就是根据不同信息产生的机理，采用不同的信息检则器， 以实现选择检测扫描电镜的图像 。SEM是由电子光学系统和显示系统组成。电子光学系统是由电子枪、磁透镜、扫描线圈以及样品室组成；显示系统包括信号的收集、放大、处理、显示与记录部分。从电子枪灯丝发出直径约20一30um的电子束，受到阳极140kV高压的加速射向镜筒，经过聚光镜和物镜的会聚作用，缩小成直径约八纳米的狭窄电子束射到样品上。电子柬与样品的相互作用将产生多种反射电子信号，包括二次电子、背散射电子、俄歇电子等，其中最重要的是二次电子，经信号收集器收集、放大、处理，最终将样品形貌显示在显示器上。 扫描电子显微镜相对于光学显微镜、透射电子显微镜有些极有价值的特点。首先，它能在很大的放大倍数范围工作，从几倍到几十万倍，相当于从光学放大镜到透射电镜的放大范围。并且具有很高的分辨率，可达l一3nm；其次。它具有很大的焦深，300倍于光学显微镜，因而对于复杂而粗糙的 样品表面，仍然可得到清晰聚焦的图像图像立体感强易于分析；再次，样品制备较简单，对于材料样品仅需简单的清洁、镀膜即可观察，并且对样品的尺寸要求很低，操作十分简单。二sem在聚合物界面形态及表面改性处理研究中的应用 观察界面形态 聚合物的表面物理形态和化学结构是决定材料性能的基本因素，也是影响聚合物的表面的摩擦性能、光学性能、吸水性和生物相容性等性能的主要因素。用扫描电镜观察、分析聚合物表面形貌特征。样品喷金后可直接放入样品室进行观察。根据聚合物的微观结构不同，即不同形态特征区分各种聚合物，同时聚合物表面的各种元素产生具有不同能量的特征X射线，分析这些X射线的能量就可知道组成的元素，可看出各种聚合物微量元素成分的差别，从这两方面对聚合物进行种属鉴定和聚合物鉴别，在鉴别基础上可通过荧光屏准确地测定各类聚合物的尺寸和形态，得出各类聚合物的定量分析。还可应用电镜观察聚合物结构特征、聚合物排列形态、聚合物表面分布等项目来分析聚合物的物理机械性质、耐磨、染色性能。表面改性处理的研究表面改性处理的手段主要包括化学氧化法、低温等离子体改性、辐射接枝法等。经过改性处理的聚合物可用SEM和EDS来观察其微观结构组成以及表面化学成分、浓度分布，这样就可以用它测定聚合物接触表面上的沉积物以及由于磨损、刻蚀、沉淀、辐射等而导致的表面性质的变化。还可以为评定材料表面性质的专家提供相关的技术支持。对研究改性的生产工艺，开发新用途都具有重要的意义。三sem在聚合物的增韧机理研究中的应用高分子聚合物的断裂一般分为脆性断裂和韧性断裂。脆性断裂的断面较光滑而韧性断裂的断面较粗糙,聚合物的增韧就是把聚合物的断裂方式由脆性断裂转变为韧性断裂,使聚合物在受到拉伸时有较高的断裂伸长率,在受到冲击时不易破坏。扫描电镜的大场深和大视场可清晰显示聚合物断裂的三维形貌，而在较高放大倍数下又能观察断裂面局部区域的微细结构，这种图像有助于研究裂缝的产生、发展以及寻找裂缝源。利用扫描电镜观察、分析材料的断口特征，对断裂机理分析归类，明确断裂类型，其次是对裂纹源位置和扩展方向的判定，可根据断口学原理判断断裂性质，追溯断裂原因，调查断裂是跟原材料质量有关还是跟后续加工或使用情况有关等等。减少缺陷数目和尺寸，改善聚合物性能。有的型号的扫描电镜带有较大拉力的拉伸台装置，这就为研究聚合物断裂过程的动态过程提供了很大的方便。可用来研究聚合物的机械力学性能等。在试样拉伸的同时既可以直接观察裂纹的萌生及扩展与纤维显微组织之间的关系，又可以连续记录下来，为高分子材料研究提供最直接的证据。张会轩等用SEM研究了低胶ABS树脂与PVC树脂共混制得PVC的增韧机理,发现冲击断面周围应力发白区域内发生了空洞化,由此提出PVC的增韧机理是橡胶粒子的空洞化引发塑料基体的剪切屈服。这种增韧机理可能具有一定的普遍性,适用于大多数塑料品种的增韧。金善科等采用弹性体(Delene1175G)和无碱玻璃纤维(GF)对聚丙烯(PP)进行了复合改性研究,并用SEM进行了组织结构观察。实验结果表明:弹性体和经偶联剂处理的无碱玻璃纤维可大幅提高PP复合体系的机械性能;不用偶联剂处理的GF增强作用甚微。刘卫东等采用SEM研究NR/BR硫化胶热氧老化前后拉伸断面的表面形态时发现:试样老化前为韧性断裂,随热氧老化时间的延长,破坏面上纤维层变薄,粗糙度下降,表现出向脆性断裂转化的性质。倪玉山等用SEM观察了橡胶中微观组织结构,研究轮胎中橡胶在疲劳情况下的断口形貌,分析了其微观破坏机理,说明材料微观损伤断裂的力学和物理过程。Mathew等采用SEM研究了硫化体系、炭黑、抗氧剂及温度对NR硫化胶疲劳断裂的影响。四sem在聚合物多相复合体系研究中的应用复合材料的性能同其形态结构和相之间界面状态密不可分。用SEM可以直接观察聚合物试样的形态结构,得出聚合物相形态随不同组分体积组成比变化的规律,而且可以区分相转变过程中不同阶段形态的差别。填充塑料中界面区的存在是导致复合材料具有特殊复合效应的重要原因之一。通过界面区使塑料与树脂结合成一个整体,并通过它传递应力。界面的存在有阻止裂纹扩展和减缓应力集中的作用,即起到松弛作用,因此界面粘结性能的强弱直接影响复合材料的性能。沈惠玲等分别将MPP1、MPP2及铝酸酯偶联剂加入到PP/CaSO4晶须的复合体系中,并用SEM对不同复合体系的界面形态和微观结构进行了观察和研究,结果显示含有MPP1的复合体系能促进晶须的分散,使两相界面结合能力提高,拉伸强度此时有一最佳值。五sem在聚合物显微组织研究中的应用在扫描电镜的高倍观察条件下，材料的显微组织十分清晰。可用来观察聚合物的孔洞结构，分析不同的孔洞结构与聚合物性能之间的关系。或在多相结构材料中，特别是在某些共晶材料和复合材料的显微组织和分析方面，由于可以借助于扫描电镜景深大的特点，所以完全可以采用深浸蚀的方法，把基体相溶去一定的深度，使得欲观察和研究的相显露出来，这样就可以在扫描电镜下观察到该相的三维立体的形态，这是光学显微镜和透射电镜无法做到的。六 sem在聚合物生物相容性研究中的应用交联聚乙烯醇(CPVA)微球是一种生物相容性聚合物微球,利用其表面大量的羟基,与铈盐构成氧化还原引发体系,实现了甲基丙烯酸(MAA)的表面引发接枝聚合,制备了接枝微球CPVA-g-PMAA。张正国等采用扫描电子显微镜(SEM)测定法,对接枝微球的化学结构及物理化学特性进行了表征。初步考察了接枝微球CPVA-g-PMAA对代谢分子肌酐(Cr)及药物分子5-氟尿嘧啶(5-FU)的吸附性能,分析了吸附机理。实验结果表明,较大的pH值范围内,接枝微球CPVA-g-PMAA的zeta电位为绝对值较大的负值,即其表面携带高密度的负电荷。受静电相互作用的驱动,接枝微球CP-VA-g-PMAA对含N的Cr及5-FU分子表现出很强的吸附能力。；扫描电子显微镜在材料的分析和研究方面有着很重要的作用，凡是对材料断口分析，微区成分分析，各种表面形貌分析、显微组织形貌及纳米材料分析等等研究都离不开扫描电子显微镜的观察，只有在微观状态下我们才能够更深入了解大千世界的物质，从本质上认识材料的机理、组织、性能，这为我们打开未来的世界科学大门提供了很好的工具。目前，高温样品台、动态拉伸台、能谱仪和扫描电镜的组合，可在得到较好的试样形貌像的前提下，同时得到成分信息和晶体学的信息，使得扫描电镜必将在高分子材料工艺研究和品种开发等方面发挥更大的作用。参考文献:1刘维.电子显微镜的原理与应用J.现代仪器使用与维修,1996.(1)t45-48.2SabetAbdou.PatelPA.MorphologyofElastomerieAlloys.RubbChumTeehno1.1991.64(5):7693叶林忠,刘金台.抗静电TPU/LDPE/SBS共混材料的性能研究.特种橡胶制品,2000,21(4):20-224LiYingBing.WangMengJiao.ZhangTao.etEI.StudyonDispersionMorphologyofSilicainRubber.RubbChemTechnol1994.67(4):6935DonnerJBCustockroE.OrderedStructureObservedbyScanningTunnelingMicroscopyatAtomicScaleonCarbonSurface.Carbon,l992.30(5):8136刘卫东,顾建明,金政吉等.天然橡腔/顺丁橡腔并用硫化胶的力学破坏机理.橡胶工业,1994,41(5):260-2667倪玉山,徐军,张华兵.轮胎中橡胶材料断口形貌及破坏机理分析.高分子材料科学与工程,2004,20(6):184-1868MathewNM.BhowmickAK.DeSKChemicalandSEMStudiesonFatigueFailureofNRVulcanizates.RubbChemTechno1.1982,55(1):519巨文军.电子显微镜在塑料工艺中的应用.化学推进剂与高分子材料,2002,(4):32-3410刘英俊,刘伯元.塑料填充改性M.北京:中国轻工业出版社,1998.90.11沈惠玲,辛华,董向红等.塑料填充体系界面粘结微观形态结构的SEM研究.电子显微学报,2002,21(1):90-9312张会轩,鲍晓野,杨海东.塑料的增韧机理.长春工业大学学报,2002,23:77-7913金善科,焦清介,臧充光,等.增韧增强聚丙烯