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技术专栏
用偏光显微镜观察聚合物结晶形态

聚合物制品的使用性能与材料的内部结晶形态、晶粒大小及完善程度有着密切的联系,而配方不同、加工条件不同,聚合物晶体的结晶形态、尺寸也不尽相同,它直接影响着产品的质量。

偏光显微镜研究聚合物的结晶形态是目前实验室中常用的方法。

 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(如图1,箭头代表振动方向,传播方向垂直于纸面)。

聚合物在不同条件下形成不同的结晶,比如单晶、球晶、纤维状晶等等,面其中球晶是聚合物结晶时最常见的一种形式。球晶可以长得比较大,直径甚至可以达到厘米数量级。

球晶是从一个晶核在三维方向上一齐向外生长而形成的径向对称的结构,由于是各向异性的,就会产生双折射的性质。因此,普通的偏光显微镜就可以对球晶进行观察,因为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形。

偏光显微镜的最佳分辨率为200nm,有效放大倍数超过500-1000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。球晶的基本结构单元是具有折叠链结构的片晶,球晶是从一个中心(晶核)在三维方向上一齐向外生长晶体而形成的径向对称的结构,即一个球状聚集体。  

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2是球晶的偏光显微镜照片。

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。