实验一偏光显微镜观察聚合物球晶 用偏光显微镜研究聚合物的结品形态是目前在实验室中较为简便而实用的方法。结品条 件的不同聚合物的结晶可以具有不同的形态，如单晶球晶纤维晶及伸直链晶体等。在通常条 件下溶体冷却结晶或浓溶液中析出结晶体时聚合物倾向于生成球晶结构，它是由无数小晶片 按结晶生长规律长在一起的结晶聚集体，球晶直径可长到几微米甚至可达到厘米数量级，用 偏光显微镜可以进行观察结晶聚合物的实际使用性能与材料内部的结晶形态、晶粒大小及完 善程度有密切关系如光学透明性、冲击强度等。因此对聚合物的结晶形态的研究具有重要的 理论和实际意义。 一、实验目的 了解偏光显微镜的结构、使用方法及目镜分度尺的标定方法。 2学习用熔融法制各聚合物球品样品。 3观察聚丙烯的结品形态，估算聚丙烯的球品大小。 二、实验原理 1自然光与偏振光 光的传播方向和振动方向所组成的平面叫振动面，自然光的振动面时刻在改变。偏振光 是电矢量相对于传播方向己一固定方向振动的光。 由光源发出的自然光经过起偏器变为偏振光后，照射到聚合物晶体样品上。由于晶体的 双折射效应，这束光被分解为振动方向相互垂直的两束偏振光。这两束光不能完全通过检偏 器，只有其中平行于检偏器振动方向的分量才能通过。 偏光显微镜是一种精密的光学仪器，有一套光学放大系统和两个偏振片，可用来对结品 物质的形态进行观察和测量。常见偏振光显微镜的构造如图所示，主要部件为： 1目镜 2目镜筒 3动氏镜手轮 4物氏镜左右调节手轮 5动氏镜前后调节手解 6检偏镜7补偿器 8物量定位器 9物传体 10物镀 11旋转工作台 12聚光镜13拉索透镜14可变光栏 15起偏镜16滤色片17反射镜 18镜架19微调于轮20粗调于轮 图1.1偏光显微镜结构示意图
实验一 偏光显微镜观察聚合物球晶 用偏光显微镜研究聚合物的结晶形态是目前在实验室中较为简便而实用的方法。结晶条 件的不同聚合物的结晶可以具有不同的形态，如单晶球晶纤维晶及伸直链晶体等。在通常条 件下溶体冷却结晶或浓溶液中析出结晶体时聚合物倾向于生成球晶结构，它是由无数小晶片 按结晶生长规律长在一起的结晶聚集体，球晶直径可长到几微米甚至可达到厘米数量级，用 偏光显微镜可以进行观察结晶聚合物的实际使用性能与材料内部的结晶形态、晶粒大小及完 善程度有密切关系如光学透明性、冲击强度等。因此对聚合物的结晶形态的研究具有重要的 理论和实际意义。 一、实验目的 1 了解偏光显微镜的结构、使用方法及目镜分度尺的标定方法。 2 学习用熔融法制备聚合物球晶样品。 3 观察聚丙烯的结晶形态，估算聚丙烯的球晶大小。 二、实验原理 1 自然光与偏振光 光的传播方向和振动方向所组成的平面叫振动面，自然光的振动面时刻在改变。偏振光 是电矢量相对于传播方向已一固定方向振动的光。 由光源发出的自然光经过起偏器变为偏振光后，照射到聚合物晶体样品上。由于晶体的 双折射效应，这束光被分解为振动方向相互垂直的两束偏振光。这两束光不能完全通过检偏 器，只有其中平行于检偏器振动方向的分量才能通过。 偏光显微镜是一种精密的光学仪器，有一套光学放大系统和两个偏振片，可用来对结晶 物质的形态进行观察和测量。常见偏振光显微镜的构造如图所示，主要部件为：
使用方法：首先要对光，可先装上低倍物镜和目镜，推出起偏振片，使在目镜中看到的视域 为最亮，在推进起偏振片。其次是对焦，将制好的试片置于载物台上，旋转粗调手轮，使载 物台上升，让试样表面接触物镜（且勿触及物镜），通过目镜仔细观察，并慢慢使试样下降， 直到观察到图像以后，再转动微调手轮使物像达到最清晰位置。此时可转换为其他倍率物镜， 偏光显微镜既处于可用状态。 3.PLM研究聚合物的球晶结构 球晶的基本结构单元是具有折叠链结构的晶片，厚度在1O0A左右。许多这样的晶片从 一个中心（晶核）向四面八方生长，发展成为一个球状聚集体，电子衍射实验证明了球晶分 子链总是垂直于球晶半径方向排列的。 在正交偏光显微镜下观察时，在分子链平行于起偏镜或检偏镜的方向上产生消光现象， 呈现出球品特有的黑十字消光图案（称为Maltas心十字）如图1.2所示。黑十字消光图像是 高聚物球晶的双折射性质和对称性的反应。在分子链平行于起偏器和检偏器的偏振面的位置 将发生消光现象。分子链的取向排列使球晶在光学性质上是各向异性的，既在平行于分子链 和垂直于分子链的方向上有不同的折光率。在球晶中由于晶片以径向发射状生长，分子链取 向总是与径向相垂直，因此圆中只有4个区域。分子链的取向与起偏器和检偏器的偏振面相 平行，正好形成正交的黑十字消光图像。并且当样品在自己的平面内旋转，黑十字保持不动， 这意味者所有的径向结构单元再结晶学上是等效的，因此球晶是具有等效径向单元的多晶体。 此外，在有的情况下（如PE),还可看到一系列明暗相间的消光同性圆环，那是由于晶体中 的条状晶片周期性扭转的结果，如图13所示。 在多数情况下，偏光显微镜观察的球品形态不是球状，而是一些不规则的多边形。这是 由于许多球晶以各自的任意位置的晶核为中心，不断向外生长，当增长的球晶和周围的球晶 相碰时，则形成任意形状的多面体。体系中晶核越少，球晶碰撞的机会越小，球晶可以生长 的很大，相反，则球品长得不大。 围1.2等规震丙烤的球品偏光显微镜照片。图1.3球晶内的晶片的排列和分子结的取向
使用方法：首先要对光，可先装上低倍物镜和目镜，推出起偏振片，使在目镜中看到的视域 为最亮，在推进起偏振片。其次是对焦，将制好的试片置于载物台上，旋转粗调手轮，使载 物台上升，让试样表面接触物镜（且勿触及物镜），通过目镜仔细观察，并慢慢使试样下降， 直到观察到图像以后，再转动微调手轮使物像达到最清晰位置。此时可转换为其他倍率物镜， 偏光显微镜既处于可用状态。 3. PLM 研究聚合物的球晶结构 球晶的基本结构单元是具有折叠链结构的晶片，厚度在 100A 左右。许多这样的晶片从 一个中心（晶核）向四面八方生长，发展成为一个球状聚集体，电子衍射实验证明了球晶分 子链总是垂直于球晶半径方向排列的。 在正交偏光显微镜下观察时，在分子链平行于起偏镜或检偏镜的方向上产生消光现象， 呈现出球晶特有的黑十字消光图案（称为 Maltase 十字）如图 1.2 所示。黑十字消光图像是 高聚物球晶的双折射性质和对称性的反应。在分子链平行于起偏器和检偏器的偏振面的位置 将发生消光现象。分子链的取向排列使球晶在光学性质上是各向异性的，既在平行于分子链 和垂直于分子链的方向上有不同的折光率。在球晶中由于晶片以径向发射状生长，分子链取 向总是与径向相垂直，因此圆中只有 4 个区域。分子链的取向与起偏器和检偏器的偏振面相 平行，正好形成正交的黑十字消光图像。并且当样品在自己的平面内旋转，黑十字保持不动， 这意味着所有的径向结构单元再结晶学上是等效的，因此球晶是具有等效径向单元的多晶体。 此外，在有的情况下（如 PE），还可看到一系列明暗相间的消光同性圆环，那是由于晶体中 的条状晶片周期性扭转的结果，如图 1.3 所示。 在多数情况下，偏光显微镜观察的球晶形态不是球状，而是一些不规则的多边形。这是 由于许多球晶以各自的任意位置的晶核为中心，不断向外生长，当增长的球晶和周围的球晶 相碰时，则形成任意形状的多面体。体系中晶核越少，球晶碰撞的机会越小，球晶可以生长 的很大，相反，则球晶长得不大
三、仪器药品 1热台偏光显微镜：载玻片和盖玻片：镊子、刀片。 2试样：聚丙烯粒料 四、实验步骤 1.将干净的载玻片放于热台上，然后切取少许聚丙烯（粒料的15左右）放在干净的载玻片 上，然后盖上盖玻片。 2.将聚丙烯加热至240℃恒温5分钟，使聚丙烯充分熔融，并压试样至薄、排除气泡，然后 降至低于熔点的温度结晶，恒温使晶体生长。 3.调整焦距，在正交偏光显微镜下观察晶体的生长过程。 4.同样的方法，观察不同温度下晶体的生长过程。 五、数据处理、结果与讨论： 1记录制备试样的条件、观察到的现象。 2记录每个时刻下的球晶半径，将球晶半径对时间作图，并取曲线中间段的部分进行线性拟 合，其斜率即为各个温度点下的球晶生长速度。 六、思考题 1结合实验讨论影响球晶生长的主要因素。 2结晶温度的控制对球晶大小有什么关系？ 八、参考文献 1冯开才等，高分子物理实验，北京：化学工业出版社，2004年。 2尹敬华，莫志申主编，《现代高分子物理学，北京：科学出版社，2001年
三、仪器药品 1 热台偏光显微镜；载玻片和盖玻片；镊子、刀片。 2 试样：聚丙烯粒料。 四、实验步骤 1. 将干净的载玻片放于热台上，然后切取少许聚丙烯（粒料的 1/5 左右）放在干净的载玻片 上，然后盖上盖玻片。 2. 将聚丙烯加热至 240℃恒温 5 分钟，使聚丙烯充分熔融，并压试样至薄、排除气泡，然后 降至低于熔点的温度结晶，恒温使晶体生长。 3. 调整焦距，在正交偏光显微镜下观察晶体的生长过程。 4. 同样的方法，观察不同温度下晶体的生长过程。 五、数据处理、结果与讨论： 1 记录制备试样的条件、观察到的现象。 2 记录每个时刻下的球晶半径，将球晶半径对时间作图，并取曲线中间段的部分进行线性拟 合，其斜率即为各个温度点下的球晶生长速度。 六、思考题 1 结合实验讨论影响球晶生长的主要因素。 2 结晶温度的控制对球晶大小有什么关系？ 八、参考文献 1 冯开才等，高分子物理实验，北京：化学工业出版社，2004 年。 2 尹敬华，莫志申主编，《现代高分子物理学》，北京：科学出版社，2001 年