偏光显微镜观察球晶的黑十字现象
偏光显微镜法观察聚合物结晶形态实验报告
图3-1片晶的排列与分子链的取向实验三偏光显微镜法观察聚合物结晶形态聚合物的各种性能是由其结构在不同条件下所决定的。
研究聚合物晶体结构形态主要方法有电子显微镜、偏光显微镜和小角光散射法等。
其中偏光显微镜法是目前实验室中较为简便 而实用的方法。
一、 实验目的要求1、 了解偏光显微镜的结构及使用方法。
2、 观察聚合物的结晶形态，估算聚丙烯球晶大小。
二、 实验原理根据聚合物晶态结构模型可知：球晶的基本结构单元是具有折叠链结构的片晶（晶片厚度在100埃左右）。
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在球晶中分子链（ c 轴）总是垂直于球晶的半径方向，而b 轴总是沿着球晶半径的方向（参考图3-1和图3-2）。
在正交偏光显微镜下，球晶呈现特有的黑十字消光图案， 这是球晶的双折射现象。
分子链的取向排列使球晶在光学性质上具有各向异性，即在不同的方向上有不同的折光率。
当在正交偏光显微镜下观察时，分子链取向与起偏器或检偏器的偏振面相平行就产生消光现象。
有时，晶片会周期性地扭转，从一个中心向四周生长（如聚乙烯的球晶），结果在偏光显微镜中就会观察到一系列消光同心圆环。
三、 仪器与试样1、 仪器偏光显微镜及附件、载玻片、盖玻片、电炉和油浴锅。
2、 试样聚丙烯（颗粒状），工业级。
四、 实验步骤1、 制备样品（1）将少许聚丙烯树脂颗粒料放在已于260C 电炉上恒温的载玻片上，待树脂熔融后，加上盖玻片，加压成膜。
保温 2分钟，然后迅速放入 140 一 150 C 甘油浴中，结晶2小时后取 出。
（2 ）将少量聚乙烯粒料用以上同样的方法熔融加压法制得薄膜，然后切 断电炉电源，使样品缓慢冷却到室温。
2、 熟悉偏光显微镜的结构及使用方法（参阅本实验的附录及仪器说明书） 。
3、 显微镜目镜分度尺的标定将带有分度尺的目镜插入镜筒内， 把载物台显微尺放在载物台上， 调节到二尺基线重合。
偏光显微镜法观察聚合物球晶及其生长过程-高分子物理-实验7-07
实验七偏光显微镜法观察聚合物球晶及其生长过程一、实验目的1．熟悉偏光显微镜的构造，掌握偏光显微镜的使用方法。
2．观察聚丙烯在不同结晶温度下得到的球晶的形态，估算聚丙烯球晶大小。
3．测定聚丙烯在不同结晶度下的晶体的熔点。
4．测定25℃聚丙烯的球晶生长速度。
二、实验原理聚合物的结晶受外界条件影响很大，而结晶聚合物的性能与其结晶形态等有着密切的关系，所以对聚合物的结晶形态研究具有很重要的意义。
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，而其中球晶是聚合物结晶时最常见的一种形态（如图1所示），它是由晶核开始，片晶辐射状生长而成的球状多晶聚集体，基本结构单元是具有折叠链结构的片晶（如图2所示）。
球晶可以长得比较大，直径甚至可以达到厘米数量级。
在偏光显微镜下球晶通常呈现Maltese 黑十字消光图样，因此，普通的偏光显微镜就可以对球晶进行观察。
图1 聚乙烯球晶的扫描电镜照片光是电磁波，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。
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，折射率值也加以改变，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3是全同立构聚苯乙烯球晶的偏光显微镜照片。
图2 球晶示意图在偏振光条件下，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。
解释出现黑十字和一系列同心圆环的结晶光学原理
解释出现黑十字和一系列同心圆环的结晶光学原理在结晶光学中，当光线通过结晶体时，会出现一系列有趣的现象，其中包括黑十字和一系列同心圆环的出现。
这些现象可以通过光的偏振性质和结晶体的晶格结构来解释。
光的偏振性质首先，让我们来理解一下光的偏振性质。
光波是由电场和磁场垂直传播的电磁波。
当电场在一个确定的方向上起振动时，就会产生偏振光。
光可以分为线偏振光和圆偏振光。
线偏振光的电场振动方向在一个平面上，圆偏振光的电场振动方向则沿着一个圆周。
光在结晶体中传播时，会发生偏振态的改变，从而导致黑十字和同心圆环的出现。
结晶体的晶格结构结晶体是由多个晶格点排列组成的。
晶格点是原子、离子或分子在晶体中排列的规则位置。
结晶体的晶格结构对光的传播和偏振态的改变起着重要的作用。
结晶体中的晶格可以被视为一个三维空间中的周期性排列。
其中，晶格面是指晶格空间中的一组平行的面。
每个晶格面都有一个对应的晶格常数，用来描述晶体的晶格结构。
结构各向异性和双折射结晶体的晶格结构会导致结构各向异性，这意味着晶格在不同的方向上具有不同的物理性质。
其中，双折射是一种重要的结构各向异性现象。
双折射是指当光通过结晶体时，根据光的振动方向的不同，会分为普通光和振动方向垂直的振动光两种。
这导致了光的传播速度和折射率的变化，从而改变了光的偏振态。
黑十字和同心圆环的形成当通过结晶体传播的光是线偏振光时，可以观察到黑十字和一系列同心圆环的形成。
黑十字的形成是通过结晶体表面产生的反射和透射光之间的干涉效应。
当入射光的振动方向与结晶体的晶轴方向夹角为45度时，会形成最暗的交叉区域，即黑十字。
同心圆环则是由于结晶体中的双折射效应引起的。
当入射光的振动方向与结晶体的晶轴方向不平行时，会导致光的传播速度和折射率的变化，从而形成同心圆环。
结论通过光的偏振性质和结晶体的晶格结构，我们可以解释出现黑十字和一系列同心圆环的结晶光学原理。
这些现象的产生与结晶体的结构各向异性和双折射效应密切相关。
偏光显微镜发观察聚合物球晶
• （3）计算机显示观察实验操作。 • ①先打开显微镜、冷热台的开关，再开计
算机电源开关。
•
②双击Windows开始桌面上的“Linksys”测试 软件。
③点Setup → Comm Port → Comm l → 确定。
④ File → Reset Serial Interface →联机。
• 2.球晶聚合物试样：聚丙烯，聚乙烯。聚酰 胺等。
• 四、实验步骤 • 1.聚合物的试样制备 • （1）熔融法制备聚合物球晶。 • （3）溶液法制备聚合物晶体试样。 • （2）直接切片制备聚合物试样。
• 2.偏光显微镜调节，检查（即无试样观察） • （1）观测基本程序 • （2）目镜观察实验操作。 • ①正交偏光的校正。 • ②调节焦距，使物像清晰可见
的熔点。
• 五、思考题
• 1.聚合物结晶过程有何特点？形态特征如何 （包括球晶的大小与分布，球晶边界，球 晶的颜色等）？结晶温度对球晶形态有何 影响？
• 2.利用晶体光学原理解释正交偏光系统聚合 物球晶的黑十字消光现象。
• 3.聚合物结晶体生长依赖什么条件，在实际 生产中如何控制晶体的形态？
• 六、参考文献
偏光显微镜法观察聚合物球晶
• 一、实验目的 • 1.熟悉偏光显微镜的构造，掌握偏光显微镜
的使用方法。
• 2.观察不同结晶温度下得到的球晶形态，估 算聚合物球晶大小。
• 3.测定聚合物在不同结晶度下晶体的熔点。 • 4.测定不同温度下聚合物的球晶生长速度。
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，而其中球晶是聚 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。
实验一 偏光显微镜法观察聚合物球晶形态
＝0.64，根据 [] K M求 出
。M
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高分子材料专业实验
六、回答问题及讨论
• 1.乌贝路德粘度计中支管C有何作用？除去支管C是 否可测定粘度?
• 2.粘度计的毛管太粗或太细有什么缺点? • 3.用乌氏粘度计测量溶液的流出时间时，为什么要
打开C管的夹子使毛细管末端通大气？如果不打开， 对流出时间测定会有什么影响？影响流出时间测定 准确性的因素有哪些？ • 4.利用粘度法测定高聚物分子量的局限性如何？适 用的分子量范围是多大？
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四、实验步骤
• 3．聚丙烯的结晶形态观察 • 将制备好的样品放在载物台上，在正交偏
振条件下观察球晶形态，读出相邻两球晶 中心连线在分度尺上所占的格数，将格数 乘以mm/格（已经过显微尺标定）即可估算 出球晶直径。
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四、实验步骤
聚丙烯颗粒
以45°斜角 盖上另外一 片载玻片
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高分子材料专业实验
实验三 GPC法测聚合物的分子量 及分布
一、实验目的 二、实验原理 三、仪器与试剂 四、实验步骤 五、数据处理 六、回答问题及讨论
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一、实验目的
• 1. 了解凝胶渗透色谱法(GPC)的基本原理。 • 2. 掌握GPC法测定聚合物的分子量及分子
量分布的实验技术及数据处理。
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四、实验步骤
• 5．整理工作 • 倒出粘度计中的溶液，倒入纯溶剂，将其吸
至a线上方小球的一半清洗毛细管，反复几 次，倒挂毛细管粘度计以待后用。
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五、数据处理
l.测得数据记入下表
记录 t0
t
r
实验
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。
偏光显微镜的最佳分辨率为200 nM，有效放大倍数越过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—个球状聚集体。
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。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。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。
（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。
球晶的黑十字消光原因偏光显微镜法观察聚合物球晶形态
球晶的黑十字消光原因偏光显微镜法观察聚合物球晶形态导读：就爱阅读网友为您分享以下“偏光显微镜法观察聚合物球晶形态”的资讯，希望对您有所帮助，感谢您对的支持!一、实验目的1. 了解偏光显微镜的结构及使用方法。
2. 了解球晶黑十字消光图案的形成原理。
3. 观察聚合物的结晶形态，理解影响聚合物球晶大小的因素。
二、实验原理用偏光显微镜研究聚合物的结晶形态是目前实验室中较为简便而实用的方法。
随着结晶条件的不用，聚合物的结晶可以具有不同的形态，如：单晶、树枝晶、球晶、纤维晶及伸直链晶体等。
而球晶是聚合物结晶中一种最常见的形式。
在从浓溶液中析出或熔体冷却结晶时，聚合物倾向于生成这种比单晶复杂的多晶聚集体，通常呈球形，故称为“球晶”。
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。
对小于几微米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。
结晶聚合物材料、制品的实际使用性能（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材料冲击强度及断裂伸长率；球晶尺寸对于聚合物材料的透明度影响则更为显著：聚合物晶区的折光指数大于非晶区，球晶的存在将产生光的散射而使透明度下降，球晶越小透明度越高，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，对聚合物结晶形态与尺寸等的研究具有重要的理论和实际意义。
球晶的生长以晶核为中心，从初级晶核生长的片晶，在结晶缺陷点繁盛支化，形成新的片晶，它们在生长时发生弯曲和扭转，并进一步分支形成新的片晶，如此反复，最终形成以晶核为中心，三维向外发散的球形晶体。
第六讲 黑十字消光与结晶模型
缨状胶束模型 * 模型简介
1. 晶 区 与 非 晶 区 互 相穿插，同时存在。 2. 一 根 分 子 链 可 以 同时穿过几个晶区和 非晶区。
适用范围
1. 结晶高分子的宏观 密度比按晶胞推算的密 度小。 2. 聚合物拉伸后，X射 线衍射图上出现分裂的 圆弧形斑点。 …………
* Oppenlander,G.C. Structure and Properties of Crystalline Polymers. Science, 1968, 159, 1311.
▲图2-30 PE球晶扭转晶片模型
及PE螺旋状球晶的电镜照片
◀图2-31
PE球晶内部晶片协同 周期性扭曲结构的电镜照片
3.(3) 球晶的特征
E. 透明性(指含有球晶的聚合物) 一般不透明,呈半透明或乳白色 因为 球晶尺寸(>入射光波长的1/2)较大，晶区和非 晶区折光指数不同,出现光的折射、散射 例外: a. 聚-4-甲基-1-戊烯不管球晶多大,都透明 因为晶区与非晶区的密度、折光指数相近 b. ABS 属于非晶高分子材料,但不透明 因为 是多组分多相高分子材料
单晶发现的重要意义
发现了折叠链结构
分子链通过晶区和非晶区的方式——折叠
发现了晶片结构
明确了晶体的形状为片状
明确了晶粒尺寸为100A的是晶片的厚度
结晶条件对晶体形态与结构的影响如何？ 没有说明!
Keller的近邻折叠链模型
1. 某些高分子单晶表面非常松散。 2. 单晶密度值远小于理想晶体的密度值。 …………
折叠链模型的提出直接导致了高分子结晶动力学理论的兴起和发展， zzzzzzzzz 并成为了现今最流行的高分子结晶理论 * Keller, A. A Note On Single Crystals in Polymers: Evidence for a Folded Chain Configuration. Philos. Mag. 1957,2,1171.
偏光显微镜法观察聚合物球晶结构
实验一：偏光显微镜法观察聚合物熔体结晶用偏光显微镜研究聚合物的结晶形态是目前实验室中较为简便而实用的方法。
随着结晶条件的不用，聚合物的结晶可以具有不同的形态，如：单晶、树枝晶、球晶、纤维晶及伸直链晶体等。
而球晶是聚合物结晶中一种最常见的形式。
在从浓溶液中析出或熔体冷却结晶时，聚合物倾向于生成这种比单晶复杂的多晶聚集体，通常呈球形，故称为“球晶”。
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。
对小于几微米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。
结晶聚合物材料、制品的实际使用性能（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材料冲击强度及断裂伸长率；球晶尺寸对于聚合物材料的透明度影响则更为显著：聚合物晶区的折光指数大于非晶区，球晶的存在将产生光的散射而使透明度下降，球晶越小透明度越高，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，对聚合物结晶形态与尺寸等的研究具有重要的理论和实际意义。
一、实验目的和要求1.了解偏光显微镜的结构及使用方法。
2.了解球晶黑十字消光图案的形成原理。
3.观察聚合物的结晶形态，理解影响聚合物球晶大小的因素。
二、实验原理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。
偏光显微镜法观察聚合物球晶结构
偏光显微镜法观察聚合物球晶结构6.2 高分子链的三级结构如果说聚合物的基本性质主要取决于链结构（即一、二级结构），对于实际应用中的高分子材料，其使用性能很大程度上还取决于加工成形过程中形成的聚集态结构（即三级结构）。
例如同样的聚对苯二甲酸乙二醇酯，如果从熔融状态下迅速淬火，冷却后得到的制品是透明的，如果缓慢冷却则由于结晶得到不透明体。
6.2.1 结晶结构三维空间长程有序是低分子晶体的基本结构。
对于长径比大、分子长短不一、链柔软且易于缠结的高分子是否能形成长程有序的晶体的认识，曾长期不能统一。
然而大量实验证明，高聚物晶体确实存在。
它们有清楚的衍射图、明确的晶胞参数和显著的相转变点。
它们的形态可以通过偏光显微镜或电子显微镜直接观察到。
与低分子晶体不同的是，它们的晶胞没有最高级的晶型——立方晶系，在其余的6个晶系中正交和单斜约各占30％。
而且由于结晶条件不同，分子链构象或链堆砌方式发生变化，同一种高聚物可以形成几种不同的晶型，如聚丙烯就有α型（单斜晶系）、β型（六方晶系）和γ型（三方晶系）不同的晶型，这种现象称为同质多晶现象，这也是高聚物结晶所特有的。
同一种高聚物的结晶形态也具有多样性，而且晶体中结晶很不完善，结晶与非晶共存。
总之高分子结晶是复杂的。
6.2.1.1缨状微束模型早在上世纪40年代就提出了如图6-7所示被称为缨状微束的高分子结晶模型。
它认为在结晶高分子中存在许多胶束和胶束间区，胶束是结晶区，胶束间区是非晶区。
胶束是由许多高分子链段整齐排列而成，其长度远小于高分子链的总长度，所以一根高分子链可以穿过多个胶束区和胶束间区。
这种结构很象一团乱毛线被随机扎成若干束的情形（图6-8）。
这个结晶模型主要得到了以下两个实验事实的证明。
一是在高聚物的X射线衍射图上（图6-9），同时存在结晶的锐利衍射峰和非晶的弥散峰，两者叠加在一起，说明晶区和非晶区共存。
二是用X光衍射测得的晶区尺寸远小于分子链的伸直长度，说明一根高分子链可以穿几个晶区和非晶区。
高分子物理实验
高分子物理实验指导书刘艳辉周金华材料科学与工程学院目录实验一、偏光显微镜法观察聚合物球晶 (2)实验二、聚合物熔体流动速率的测定 (4)实验三、聚合物拉伸强度和断裂伸长率的测定 (6)实验四、聚合物材料弯曲强度的测定 (9)实验五、聚合物材料冲击强度的测定 (11)实验六、聚甲基丙烯酸甲酯温度—形变曲线的测定 (13)实验七、介电常数及介电损耗测定 (14)实验八、聚合物电阻的测量 (17)实验九、用旋转黏度计方法测定聚合物浓溶液的流动曲线 (18)实验十、稀溶液粘度法测定聚合物的分子量 (20)实验一偏光显微镜观察聚合物的结晶形态 (28)实验二激光小角散射法测聚合物球晶 (30)实验三相差显微镜法观察共混物的结构形态 (34)实验四粘度法测定高聚物的分子量 (37)实验五高聚物熔融指数的测定 (42)试验六高分子材料的电阻值的测定 (45)实验七应力——应变曲线实验 (52)附：塑料冲击实验 (58)实验一、偏光显微镜法观察聚合物球晶一、实验目的1.熟悉偏光显微镜的构造，掌握偏光显微镜的使用方法。
2.观察不同结晶温度下得到的球晶的形态，估算聚丙烯球晶大小。
3.测定聚丙烯在不同结晶度下晶体的熔点。
4.测定25℃下聚丙烯的球晶生长速度。
二、实验原理聚合物的结晶受外界条件影响很大，而结晶聚合物的性能与其结晶形态等有密切的关系，所以对聚合物的结晶形态研究有着很重要的意义。
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，而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。
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，因此，普通的偏光显微镜就可以对球晶进行观察。
偏光显微镜的最佳分辨率为200 nm，有效放大倍数超过100—630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。
偏光显微镜观察聚合物的结晶形态实验报告
偏光显微镜观察聚合物的结晶形态实验报告一、实验目的1、了解偏光显微镜的结构及使用方法；2、学习用熔融法制备高聚合物球晶；3、观察聚丙烯的结晶形态，估算聚丙烯球晶大小；二、原理球晶的基本结构单元是具有折叠结构的片厚度在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。
图1-1 球晶内晶片的排列与分子链取向图1-1示意地说明球晶中分子链是垂直球晶半径的方向排列的。
分子链的取向排列使球晶在光学性质上是各向异性的，即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。
在正交偏光显微晶下观察时，在分子链平行于起偏镜或检偏镜或检偏镜的方向上将产生消光现象。
呈现出球晶特有的黑十字消光图案（称为Maltase十字）。
图1-2 球晶中双折射示意图球晶在正交偏光显微镜下出现Maltase十字的现象可以通过图1-2来理解。
图中起偏镜的方向垂直于检偏镜的方向（正交）。
设通过起偏镜进入球晶的线偏振光的电矢量OR,即偏振光方向沿OR方向。
图1-2绘出了任意两个方向上偏振光的折射情况，偏振光OR通过与分子链发生作用，分解为平行于分子链η和分子链ε两部分，由于折光率不同，两个分量之间有一定的相差。
显然ε和η不能全部通过检偏镜，只有振动方向平行于检偏镜方向的分量OF和OE能够通过检偏镜。
由此可见，在起偏镜的方向上，η为零，OR=ε；在检偏镜方向上，ε为零，OR=η；在这些方向上分子链的取向使偏振光不能透过检偏镜，视野呈黑暗，形成Maltase十字。
此外，在有的情况下，晶片会周期性地扭转，从一个中心向四周生长，这样，在偏光显中就会看到由此而产生的一系列消光同心圆环。
三、仪器和试样1、偏光显微镜及附件：2、载玻片和盖玻片；电炉热台；剪刀；镊子。
3、等规聚丙烯粒料。
四、实验步骤1、制备样品首先取半粒聚丙烯树脂，放在已于电炉热台上恒温的载波片上，待树脂熔融后，加上盖玻片加压成膜。
保温两分钟，然后缓慢结晶，使样品自然冷却到室温。
偏光显微镜观察球晶的黑十字现象
偏光显微镜观察球晶的⿊⼗字现象成绩a) b)图1 ⾃然光和线偏振光的振动现象 a) ⾃然光 b) 线偏振光图2 球晶的偏光显微镜照⽚西安交通⼤学实验报告第页（共页）课程：⾼分⼦物理实验⽇期：年⽉⽇专业班号组别交报告⽇期：年⽉⽇姓名学号报告退发：（订正、重做）同组者教师审批签字：实验名称：偏光显微镜观察聚合物结晶形态⼀．实验⽬的 1.了解偏光显微镜的基本原理和结构；2.掌握偏光显微镜的使⽤⽅法；3.⽤偏光显微镜观察聚合物的结晶形态，估算聚丙烯试样球晶的⼤⼩。
⼆．实验原理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。
⽤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。
偏光显微镜法观察聚合物的结晶形态
高分子物理实验讲义材料学院2008.5目录实验一偏光显微镜法观察聚合物的结晶形态 (2)实验二粘度法测定聚合物的分子量 (5)实验三聚合物的热分析—差示扫描量热法 (9)实验四聚合物温度-形变曲线的测定 (13)实验五高聚物表观粘度和粘流活化能的测定 (16)实验六高分子材料应力-应变曲线的测定 (23)实验七高聚物的应力松弛测定 (26)实验八动态粘弹谱法测定聚合物的动态力学性能 (29)实验九高聚物的高频介电损耗测定 (35)参加本实验讲义编写人员如下：实验一偏光显微镜法观察聚合物的结晶形态………………富露祥实验二粘度法测定聚合物的分子量…………………………王娜实验三聚合物的热分析—差示扫描量热法…………………马驰实验四聚合物温度-形变曲线的测定…………………………何秀娟实验五高聚物表观粘度和粘流活化能的测定………………张秀彬实验六高分子材料应力-应变曲线的测定……………………刘大晨实验七高聚物的应力松弛测定………………………………于洋实验八动态粘弹谱法测定聚合物的动态力学性能…………王重实验九高聚物的高频介电损耗测定…………………………王涛实验一偏光显微镜法观察聚合物的结晶形态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，熔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多晶聚集体，球晶直径可长到几微米，甚至可达厘米数量级，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，对于聚合物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。
解释出现黑十字和一系列同心圆环的结晶光学原理
解释出现黑十字和一系列同心圆环的结晶光学原理
黑十字和同心圆环是由偏振光在晶体中的双折射效应引起的。
晶体是具有非等向性光学性质的物质，它们的折射率在不同方向上是不同的。
当偏振光线通过晶体时，它会被晶体中的电场作用影响，并将其分为两个互相垂直的偏振光线，即快光和慢光。
当快光和慢光通过偏振器时，它们的振动方向会发生变化，导致黑十字的形成。
黑十字的中心是偏振器的主轴方向，四个方向分别是快光和慢光的振动方向。
同心圆环的形成是由于快光和慢光在晶体中传播时，它们的速度和振动方向不同，因此会形成相位差。
当这两个光线在出口面重合时，它们的相位差会导致干涉，形成同心圆环。
因此，黑十字和同心圆环的出现是晶体在偏振光下的双折射效应的结果。
这种现象在光学显微镜和偏振光显微镜中得到广泛应用，可以用来分析和研究晶体的结构和性质。
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成绩
a) b)
图1 自然光和线偏振光的振动现象 a) 自然光 b) 线偏振光 图2 球晶的偏光显微镜照片
西安交通大学实验报告
第 页（共 页） 课程： 高分子物理 实 验 日 期 ：
年 月 日 专业班号 组别 交报告日期 ： 年 月 日 姓 名 学号 报 告 退 发 ： （订正、重做） 同 组 者 教师审批签字：
实验名称：
偏光显微镜观察聚合物结晶形态
一．实验目的 1.了解偏光显微镜的基本原理和结构；
2.掌握偏光显微镜的使用方法；
3.用偏光显微镜观察聚合物的结晶形态，估算聚丙烯试样球晶的大小。
二．实验原理
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。
用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。
球晶的生长过程如图3所示。
三．实验仪器与材料
偏光显微镜一台（如图4），附件一
盒，擦镜纸，镊子一把，载玻片，盖玻
片若干，白瓷盘，烘箱，聚丙烯（粒料）
四．实验步骤
图3 球晶的生长过程示意图
1.聚合物样品制备（熔体结晶）
本实验在制备聚丙烯球晶时，在
230℃熔融10min，然后在150℃保温30min，（炉温比玻片的实际温度高约20℃，试验温度为炉温）。
2.熟悉偏光显微镜的结构和使用方法
3.聚合物聚集态结构的观察
（1）观察聚合物晶形，测定球晶大小。
○1将带有分度尺的目镜插入镜筒内，将载物台显微尺置于载物台上，使视区内同时见到两尺。
○2调节焦距使两尺平行排列，刻度清楚，两零点相互重合。
○3取走载物台显微尺，将试样放于载物台视域中心，观察记录晶形。
（2）观察消光黑十字和干涉色环
○1把聚光镜加上，选用高倍物镜，并推入分析镜，勃氏镜。
○2把欲测聚丙烯膜置于载物台，观察消光黑十字、干涉色环和一系列消光同心圆环。
○3将载物台旋转45°后再观察消光图。
五．实验结果与分析
在偏光显微镜下观察到的球晶的形态如下：
可以看到在显微镜里有很多的球晶晶粒紧密排列，球晶晶粒大多呈现球状，球晶很明显的呈现出四个亮区域和四个暗区域，即出现“黑十字现象”。
这是由于偏振光通过球晶晶粒时，由于各向异性介质，会发生双折射现象。
由于干涉相消形成暗区域。
然后可以根据载物台的显微尺，测量其中一个球晶的直径，由于在目镜10倍、物镜10倍时，显微尺的1小格表示长度1 μm。
换算到200倍下，相当于2个小格代表1 μm，从图中可以看出其中一个晶粒的直径为36/2=18 μm。
图4 偏光显微镜下聚丙烯的球晶晶粒（200×）
六．实验思考题
1.解释出现黑十字和一系列同心圆环的结晶光学原理。
答：当偏振光照射到各向异性的晶体表面时，会发生双折射现象，即原来的一束偏正光会分解为振动平面互相垂直的光线，由于两束光线在两个方向上的折射率不同，从而光线通过样品时的速度也不同，这样两束光就就会产生一定的相位差，发生干涉现象，这样有些光线可以通过检偏器，而有些光线不能通过检偏器，在照片上就形成了明暗的区域，即所谓的黑十字现象、又由于球晶中各个径向发射堆砌的条状晶片有时按照一定的周期规则的螺旋形扭转，使得球晶在偏振显微镜中呈现出一系列的消光同心圆环。
2.在生产中如何控制球晶的形态？
答：可以通过控制球晶的生成条件，即：结晶温度、溶剂类型、溶液浓度、冷却速度等。
3.制样时，应注意哪些环节？
答：（1）在制备显微镜样品时，首先要将已洗干净的载玻片、盖玻片以及专用的砝码放在恒温箱中保温5min，温度控制在比Tm高约30℃。
（2）在将样品放在载玻片上时，盖上盖玻片，要恒温10min使其充分熔融，轻压盖玻片，用力要均匀，避免压裂。
4.结晶温度对球晶尺寸有何影响？、
答：当结晶温度低于最佳结晶温度时，升高使得成核中心数量增加，球晶间碰撞几率增加，球晶尺寸较小；而高于最佳结晶温度时，提高温度使得成核中心的数量降低，球晶间相互碰撞的几率减少，球晶能够生长的较为粗大。
5.为何聚丙烯球晶的黑十字消光现象表现出许多径向发射的条纹？
答：可以从球晶的生长过程图3看到，球晶的最基本结构单元是折叠链晶片，球晶中分子链垂直于球晶的半径方向，为了减少表面能，它们往往以某些晶核为中心同时向四面八方进行放射状生长。