黑十字消光原理

晶体和无定形体是聚合物聚集态的两种基本形式，很多聚合物都能结晶。聚合物在不同条件下形成不同的结晶，比如单晶、球晶、纤维晶等等，聚合物从熔融状态冷却时主要生成球晶。球晶是聚合物中最常见的结晶形态，大部分由聚合物熔体和浓溶液生成的结晶形态都是球晶。结晶聚合物材料的实际使用性能（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冲击强度及断裂伸长率。例如球晶尺寸对于聚合物材料的透明度影响更为显著，由于聚合物晶区的折光指数大于非晶区，因此球晶的存在将产生光的散射而使透明度下降，球晶越小则透明度越高，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，对于聚合物球晶的形态与尺寸等的研究具有重要的理论和实际意义。

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。对于更小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。

一、实验目的和要求

了解偏光显微镜的原理、结构及使用方法。

了解双折射体在偏光场中的光学效应及球晶黑十字消光图案的形成原理。

观察聚丙烯熔体与浓溶液结晶生成的球晶形态，测定溶液结晶的球晶尺寸，判断球晶的正负性。

二、实验内容和原理

球晶

结晶与性能

结晶聚合物材料的性能（如光学性能、冲击强度等）与球晶的结晶形态、尺寸及完善程度有密切的关系。较小的球晶可以提高冲击强度及断裂伸长率。一般球晶的存在将产生光的散射而使透明度下降，球晶越小则透明度越高，直至其尺寸与光的波长相当则得到完全透明的材料。

球晶的形成

球晶是聚合物中最常见的结晶形态，大部分由聚合物熔体和浓溶液生成的结晶形态都是球晶。球晶是以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可形成球形晶体；如在生长过程中球晶之间相碰则在相遇处形成界面而成为多面体（二维空间观察为多边形）。

影响球晶尺寸的因素

冷却速度、结晶温度、成核剂等因素。

偏光显微镜原理

偏振光和双折射

表1偏振光和双折射的相关概念

名称意义

天然光天然光可分解为与传播方向垂直的所有方向上的振动的矢量，并且各方向上的

振幅相等。

偏振光偏振光是指矢量的振动方向有一定规律的光线。光矢量在一个平面内振动的光线称为线性偏振光，该平面称为振动面，可由天然光通过偏振器（如偏振片）

获得。

光学各向同性体介质中的原子、分子等在三维空间完全无规排列时，对于任何入射方向和偏振方向的光线的折射率都是相等的，称为光学各向同性体。

双折射体对不同振动方向的偏振光有不同的折射率，这样的物体称为双折射体。

线性双折射体对光线没有吸收的双折射体。这种物体对任意方向进入的光线一般都会分解成振动面互相垂直的两个偏振光，并具有不同的折射率。

光率体

表2 光率体的相关概念

光率体双折射体的几何模型，是由确定的三轴椭球体，

nx、ny、

nz称为主折射率。

运用光率体可采用几何作图来确定双折射体的各种光学性质。

光轴当入射光方向与光轴一致时，不改变光的振动方向，也不会发生双折射。对光率体做切面时，可得两个包含y轴且与x轴和y轴对称的圆形，这两个切面的

垂直方向即为光轴。

二轴双折射体具有两条光轴的物体称为二轴双折射体。

单轴双折射体光率体中有两个主折射率相等，则称为单轴双折射体。当双轴性双折射体的两个主折射率较接近时也可当做单轴体处理（如聚乙烯）。

正常波（O波）任意方向的入射光都可分解为振动面与主切面垂直的偏振光以及振动面在主切

面上的偏振光。

振动面与主切面垂直的光波称为正常波，其速度是恒定的，折射率为常数，记

为no。

异常波（E波）振动面处于与主切面内的光波称为异常波，其速度和折射率随入射光的方向而

改变，其折射率记为ne。

正的双折射体当光波垂直于光轴射入时，正常波的折射率仍为no，异常波的折射率为ne=nz，当no＜nz时，正常波的速度大于异常波，称为正的双折射体，其光率体呈瘦长

形。

负的双折射体当no＞nz时，正常波的速度小于异常波，称为负的双折射体，其光率体呈扁平

形。

图1 光率体与光轴（nx＜ny＜nz）图2 正的单轴光率体及光的振动方向双折射体的光学效应

线性偏振光对双折射的透射

入射线性偏振光PA与光轴成一定角度，于是入射光波分解为平行于光轴振动的异常波和与之垂直的正常波两个偏振光，分别以折射率ne，no传播。设平板的厚度为d，则正常波与异常波在板中的光程分别为nod和ned，光线穿过平板时两波的光程差为Δ=(ne- no) d，变换成相位差为

（1）

两个偏振光合成为具有δ相位差，振动方向互相垂直的光线。

平行光束的偏光干涉

在光路中放置两个互相垂直的偏振片P（起偏镜）和A（检偏镜），在两者之间放置一片双折射平板M，其光轴和偏振光片的偏振方向成45°，则由于偏光干涉作用，有光线通过检偏镜A，透射光强为

（2）

其中I0为起始透过光强。

偏光观察的意义：求得光程差Δ，然后——①由Δ和M的厚度即可以求得双折射率；②已知双折射率而求得平板的厚度。

光程差的测量：直接法——在白色照明光下进行偏光干涉，由式（2）可知，对于给定的Δ，不同波长的光有不同的透过强度。例如当Δ=540nm时，根据上式此时波长为540nm黄绿色的光都过为零，视野呈紫红色；相反可以通过透过光的颜色确定光程差，光程差在500～600nm附近变化时颜色变化最为显著，540nm 最为敏感，称为敏锐色，可以认为是显微观察中的标准波长。

球晶的光学效应

黑十字消光

球晶在偏光显微镜下可以看到黑十字消光图案。

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(Maltese Cross)。在正交偏光显微镜下观察，非晶体聚合物因