偏光显微镜法观察聚合物球晶结构

实验一：偏光显微镜法观察聚合物熔体结晶用偏光显微镜研究聚合物的结晶形态是目前实验室中较为简便而实用的方法。随着结晶条件的不用，聚合物的结晶可以具有不同的形态，如：单晶、树枝晶、球晶、纤维晶及伸直链晶体等。而球晶是聚合物结晶中一种最常见的形式。在从浓溶液中析出或熔体冷却结晶时，聚合物倾向于生成这种比单晶复杂的多晶聚集体，通常呈球形，故称为“球晶”。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。球晶尺寸主要受冷却速度、结晶温度及成核剂等因素影响。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，该法最为直观，且制样方便、仪器简单。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。对小于几微米的球晶则可用电子显微镜进行观察或采用激光小角散射法等进行研究。结晶聚合物材料、制品的实际使用性能(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。如较小的球晶可以提高材料冲击强度及断裂伸长率；球晶尺寸对于聚合物材料的透明度影响则更为显著：聚合物晶区的折光指数大于非晶区，球晶的存在将产生光的散射而使透明度下降，球晶越小透明度越高，当球晶尺寸小到与光的波长相当时可以得到透明的材料。因此，对聚合物结晶形态与尺寸等的研究具有重要的理论和实际意义。一、 实验目的和要求了解偏光显微镜的结构及使用方法。了解球晶黑十字消光图案的形成原理。观察聚合物的结晶形态，理解影响聚合物球晶大小的因素。二、 实验原理球晶是以晶核为中心对称向外生长而成的。在生长过程中不遇到阻碍时形成球形晶体；如在生长过程中球晶之间因不断生长而相碰则在相遇处形成界面而成为多面体，在二度空间下观察为多边体结构。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。球晶是由放射形的微纤束组成，这些微纤束为片晶，具有折叠链结构，其晶轴成螺旋取向。高聚物球晶在偏光显微镜下可以看到黑十字消光图案(MalteseCross)。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，黑十字消光图象是高聚物球晶的双折射性质和对称性的反映。一束自然光通过起偏器后，变成平面偏振光，其振动方向都在单一方向上。一束偏振光通过高分子球晶时，发生双折射，分成两束电矢量相互垂直的偏振光，它们的电矢量分别平行和垂直于球晶的半径方向，由于这两个方向上折射率不同，这两束光通过样品的速度是不等的，必然要产生一定的相位差而发生干涉现象，结果使通过球晶的一部分区域的光可以通过与起偏器处在正交位置的检偏器。而另一部分区域不能，最后分别形成球晶照片上的亮暗区域。三、 实验仪器与药品偏光显微镜热台镊子盖玻片载玻片刀片聚丙烯四、 实验步骤1） 在显微镜上装上物镜和目镜，打开照明电源，推入检偏镜，调整起偏镜角度至正交位置。2） 将热台温度调整到230°C左右，在加热台上放上载玻片，用刀片从聚丙烯树脂颗粒上取下少量试样并将其放在载玻片上，盖上盖玻片。3） 观察试样熔融后用镊子小心地将其压成薄膜状，恒温5分钟。4） 关掉热台电源，并将热台移至显微镜载物台上。拉出显微镜检偏镜，调节热台位置使光线通过。5） 调节焦距至视场清晰，推入检偏镜，观察球晶生长情况。6） 拍照记录球晶生长初期，生长过程以及生长完成时的形态图。7） 重复步骤2,3,将熔融并恒温后的试样，取出放在石棉板上以较快的速度冷却，直接用显微镜观察结晶完成后的形态，并拍照记录。注意事项调焦时，应先使物镜接近样片，仅留一窄缝（不要碰到），然后一边从目镜中观察一边调焦（调节方向务必使物镜离开样片）至清晰。五、 实验数据记录缓慢降温，熔体结晶形态图快速降温，熔体结晶形态图六、 思考题解释球晶黑十字消光图案的原因。聚合物晶体生长依赖什么条件，在实际生产中如何控制晶体的形态？实验中熔体熔融后，