第二部分　高分子物理實驗

實驗一　偏光顯微鏡法測高聚物球晶形態

一、實驗目的

本實驗是將熔融高聚物進行緩慢降溫處理，使其生成較大球晶，用偏光顯微鏡觀察球晶形態和測量球晶大小。通過本實驗掌握球晶的制備、球晶的形態和雙折射性質及偏光顯微鏡的結構和使用方法等有關知識，并能對測試結果進行綜合分析、歸納和總結，能夠理解其局限性。

二、實驗原理

晶體和無定形體是高聚物聚集狀態的兩種基本形式，很多高聚物都能生成晶體。高聚物晶體從形態上看有單晶、球晶、纖維晶、串晶、須晶等。在片狀單晶體中，分子鏈垂直于晶體表面；在纖維晶和須晶中，分子鏈沿著纖維軸方向排列。高聚物從熔融狀態冷卻時主要生成球晶，有時也可以用高聚物溶液緩慢蒸除劑的辦法得到球晶，因此球晶是高聚物晶體的主要形式，對高聚物制品的性能有很大影響。球晶是以晶核為中心向周圍呈放射狀增長構成球形而得到的，是“三維結構”。在極薄的試片中，球晶也可以近似地看成圓盤形的二維結構，是多晶體。它是由分子鏈構成晶胞，晶胞堆積構成晶片，晶片再重疊起來構成微纖束，并沿著半徑方向向周圍增長而形成的，晶片間存在著結晶缺陷，微纖束之間存在著無定形雜物。球晶的大小取決于高聚物的分子結構及結晶條件，因高聚物種類和結晶條件的不同，尺寸差別很大，直徑可以從微米級到毫米級，甚至可以到1cm，球晶分散存在于無定形高聚物中。一般來說無定形是連續相，球晶是分散相，當結晶程度很大時，球晶的周邊可以相交而成為不規則的多邊形。球晶具有光學各向異性，對光線有折射現象，因此能夠用偏光顯微鏡進行觀察，另外還可以觀察到球晶的黑十字消光圖像。有些高聚物生成球晶時，晶片在沿著半徑增長的過程中可以進行螺旋形扭曲，因此也可以在偏光顯微鏡下看到同心圓消失圖像。

三、實驗儀器與試劑

儀器：熱臺、偏光顯微鏡。

樣品：聚乙烯。

偏光顯微鏡的構造和使用方法如下。

（1）構造　偏光顯微鏡是一種精密的光學儀器。有一套光學放大系統和兩個偏振片可用來對結晶物質的形態進行觀察和測量，目前偏光顯微鏡的形式和牌號很多，但基本構造相同。本實驗所用偏光顯微鏡結構包括儀器底座、視場光（內有照明燈泡）、粗動調焦手輪、微動調焦手輪、起偏振片（起偏器）、聚光鏡、旋轉工作臺（載物臺）、物鏡、檢偏振片（檢偏器）、目鏡、視鏡調節手輪。

（2）使用方法　在使用之前首先要對光，此時可裝上低倍物鏡和目鏡，推出起偏振片，啟動場光闌，使在目鏡中看到的視域為最亮，再推進起偏振片，使在兩個偏振片正交時于目鏡中看到最暗的視域；其次是對焦，將制好的試片置于載物臺上，旋轉粗調手輪，使物鏡下降到接近試片表面（且勿觸及試片），通過目鏡仔細觀察，并慢慢提升鏡筒，直到看到物像以后，再轉動微調手輪，使物像達到最清楚為止，此時偏光顯微鏡即處于可用狀態，用畢后，按取用時狀態放好。

四、實驗步驟

（1）將熱臺升溫到200℃，放上蓋玻片，再放上少量聚乙烯樣品，待樣品熔化后再蓋上一片蓋玻片，壓制約1min，制成試片。

（2）將聚乙烯試片依據不同的冷卻方式（自然冷卻、快速冰水冷卻和60℃溫水冷卻等）降溫至室溫，制備成不同試樣。

（3）把偏光顯微鏡調到可用狀態后，將上述處理的聚乙烯試樣放在載物臺上觀察球晶狀態，并測量聚乙烯球晶直徑。

五、注意事項

（1）壓制試片時要嚴格控制溫度，溫度太高，聚乙烯裂解變黃；溫度過低，部分樣品未熔化，試樣不均勻。

（2）偏光顯微鏡是精密的光學儀器，操作時要十分小心，不要隨意拆卸零件，不可手摸或用硬物擦試鏡頭。

（3）制備球晶的方法很多，可以根據高聚物品種和實際需要選擇，不必受本實驗所列方法的限制。制備較大的球晶時應選擇接近熔點的溫度長時間保溫，使晶核少而球晶可以長大；結晶溫度越低（但要高于玻璃化轉變溫度），保溫時間越短，所得球晶越小。

六、思考題

（1）為什么說球晶是多晶體？

（2）解釋球晶在偏光顯微鏡中出現十字消光圖像和同心圓消光圖像的原因。

（3）說明選擇結晶溫度的理論依據。