偏光显微镜法观察高聚物的球晶.pdfVIP

实验8 偏光显微镜法观察高聚物的球晶 用偏光显微镜研究高聚物的结晶形态是目前在实验室中较为简便而实用的方法。由于结晶条件不 同，结晶高聚物会形成不同的结晶形态，例如：单晶、球晶、伸直链晶体、串晶、柱晶，等等。而球 晶是高聚物晶体中最常见的一种形式。结晶高聚物的一些使用性能（例如，光学透明性，冲击强度等） 与其内部的结晶形态、晶粒大小及完善程度有着密切的联系，因此，研究高聚物的结晶形态具有重要 的意义。 一、实验目的 1. 了解偏光显微镜的结构及其使用方法。 2. 掌握聚丙烯球晶试样的制备方法。 3. 利用偏光显微镜观察聚丙烯球晶。 二、实验原理 1. 偏光显微镜工作原理 光波是电磁波，其传播方向与振动方向相垂直。若取垂直于光波传播方向上的一个横截面作为观 察面，则自然光的振动方向在观察面中的各个方向上的几率相等（如图8-1所示）。而若振动方向只有 一个方向时，则称为线偏振光（或平面偏振光）。 1 2 图8-1 自然光与线偏振光的振动情况 1——自然光； 2——线偏振光 能将自然光转变成线偏振光的仪器叫做起偏振器（Polarizer ）。通常用得较多的起偏振器有尼科耳 棱镜和人造偏振片。起偏振器既能够用来将自然光转变成线偏振光，也能够用来检查线偏振光，此时， 它被称为检偏振器（或分析器，Analyser ）。偏光显微镜与普通显微镜的不同之处就在于其光路中加入 了起偏振器和检偏振器，较为靠近光源的偏振片是起偏振器，而靠近目镜的偏振片是检偏振器。当起 偏振器与检偏振器的振动方向相互垂直时，称为“正交偏振场”，此时从目镜中看到的光强最弱。 偏光显微镜的光源可以是电光源，也可以是由一个反光镜反射的自然光。由光源发出的非偏振光 通过起偏振器后变成线偏振光，照射到置于工作台上的结晶试样上，由于晶体的双折射效应，使光束 被分解为振动方向相互垂直的两束线偏振光。这两束线偏振光中只有平行于检偏振器振动方向的分量 才能够通过检偏振器，到达目镜。而通过了检偏振器的这两束光的分量具有相同的振动方向和频率， 从而产生干涉效应，从目镜中看到的图像是一个干涉图像。 2. 球晶的生成条件及其形态特点 不同的高聚物结晶形态有着不同的适宜生成条件。通常，球晶的适宜生成条件是：从高分子浓溶 液中析出或由高聚物熔体冷却结晶。而生成的球晶尺寸大小及完善程度则取决于具体条件（例如：结 晶温度、溶剂、浓度、冷却速度，等等）。聚丙烯在熔体冷却时很容易生成球晶。球晶可以生长到几 .83. 微米至几毫米数量级，对大于几微米的球晶，用普通偏光显微镜就可进行观察；而对小于几微米的球 晶，则需用电子显微镜或小角光散射法进行研究。 球晶的基本结构特点是许多呈同周期扭转的晶片从同一个中心（晶核）出发，向四面八方生长， 形成一个球状聚集体（中心对称体）。电子衍射实验已经证明，球晶中的大分子链主轴方向总是垂直 于球晶的半径方向。由于球晶中大分子链的规则取向排列，使得球晶呈现出光学各向异性（即在不同 的方向上具有不同的折光率），从而产生双折射效应。用正交偏光显微镜观察时，在大分子链主轴方 向平行于起偏振器或检偏振器的振动方向上，将产生消光现象，从而可以看到球晶特有的黑十字消光 图案（称为Maltase十字，如图8-2 中所示）。又由于 起偏振器 球晶中各个晶片为同周期扭转，使得球晶在偏光显微 镜中会呈现出一系列的消光同心圆环（这一现象当球 晶较小或试样制备不当时不明显）。 一般，从浓溶液中培养成的球晶，大多呈现出较 检偏振器 好的圆形图案；而从熔体得到的球晶，由于晶核密度 较大，使得球晶互相挤碰，常常呈现出不规则的多角 形图案，但只要球晶足够大，仍能分辨出从各个中心 发出的黑十字消光图案，只不过有不同程度的残缺。 图8-2 球晶的消光图案示意图 三、实验仪器和试剂