小角X射线散射和聚合物表征分析报告
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
有长期结构存在的纤维， 其小角散射强度曲线常数 属于此类型。
① 研究溶液中的微粒，最为简便 ② 研究生物体微结构，研究活体和动态过程 ③ 某些高分子材料的散射强度很强 ④ 研究高聚物流态过程 ⑤ 确定粒子内部封闭内孔 ⑥ 获得试样内统计平均信息 ⑦ 可准确确定两相间比内表面和离子体积百分数等参数 ⑧ 制样方便
1.2.理论基础：
20世纪初，伦琴发现了比可见光波长小的辐射。由于对该 射线性质一无所知，伦琴将其命名为X射线 (X-ray)。
到20世纪30年代，人们以固态纤维和胶态粉末为研究物 质发现了小角度X射线散射现象。
当X射线照射到试样上时，如果试样内部存在纳米尺度的 电子密度不均匀区，则会在入射光束周围的小角度范围内 （一般2 6º）出现散射X射线，这种现象称为X射线小角散 射或小角X射线散射（Small Angle X-ray Scattering,简写为 SAXS ）。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（1）针孔准直系统
使用真空准直配和照相法记录X射线强度，可得全 方位的小角散射花样，适用于取向粒子，可避免准直误 差，不适用于定量测定
计数管接收散射X射线强度。第一二狭缝宽度固定。 第三狭缝宽度可调，可挡住前两个狭缝产生的寄生散射
较高的角度分辨率，扩展了粒度的研究范围。可获得小角度
的散射强度数据，使得外推的零角散射强度值精确，提高积分不 变量的计算精度。
入射X射线
吸
收
体
热效应
透射X射线
散射X射线
相干散射 汤姆逊散射 不相干散射
电子
反冲电子 俄歇电子 光电子
荧光X射线
康普顿散射 光电效应
X射线是一种波长很短（0.05-0.25nm）的电磁波 当一束X射线照射到试样时，可观察到两个过程： (1)若试样具有周期性结构（晶区），则X射线被相干散射， 入射光和散射光之间没有波长的改变，这种过程称为大角X 射线衍射效应。 (2)若试样具有不同电子密度的非周期性结构（晶区和非晶 区），则X射线被不相干散射，有波长改变，这种过程称为 小角X射线衍射效应。
测定溶液中高分子的形态和尺寸，测定胶体中胶粒的形状、 粒度及粒度分布，研究结晶高分子中晶粒、共混高分子中 微区（分散相、连续相），高分子中空洞和裂纹的形状、 尺寸及其分布。
测定粒子量与相互作用参数 测定晶体空间结构分布 通过长周期测定研究高分子体系中晶片的取向、厚度与结
晶百分数 研究分子运动和相变
（5）散射体的自相似性（是否有分形特征）
II.定量分析：
散射体尺寸分布、平均尺度、回转半径、相关距离、 平均壁厚、散射体体积分数、比表面、平均界面层厚度、 分形维数等。
不均一体系SAXS散射
强度实验曲线是凹面如右 图（a）
在稠密体系中，考虑粒 子间相互干涉对散射的影 响，实验曲线产生极大部 分，如右图（b）和（c）。
1 .云纹法、红外热像法（只能检测材料表面情况）
云纹法(moire method)又称莫尔纹法，是变形分析的一种模拟方法，由光的 干涉而产生。此法即利用光的机械干涉形成的云纹图进行分析。分为面内和影像 (面外)云纹法两类:根据前者的平行云纹图和转动云纹图可求得应变场;后者已成功 地用于褶皱形式和断裂变形场的分析。
Porod公式：
k是Porod常数,它表明具有明锐界面的散射体在大角区 域的散射强度遵守q−4规则。正偏离反映基体微结构的不 均匀性，表明在基体上存在一定尺寸的微密度起伏，这种 密度起伏不均匀区可能是由于组分不均匀，或者晶化不完 全，存在无定形成分所致，应该对正偏离进行校正，以得 到净的孔散射。
二、 SAXS分析及其仪器结构
1. 纳米尺寸的微粒子 2. 纳米尺寸的微孔洞 3. 存在某种任意形式的电子云密度起伏 4. 在高聚物和生物体中，结晶区和非晶区交替排列形成的 长周期结构 5. 其物理实质在于散射体和周围介质的电子云密度的差异。
2.2 X射线在晶体中衍射的基本原理 射入晶体的X射线使晶体内原子的电子发生频率相等的强制 振动，因此每个原子可作为一个新的X射线源向四周发射波长 和入射线相同的次生X射线。他们波长相同，但强度非常弱。 但在晶体中存在按一定周期重复的大量原子，这些原子产生的 次生X射线会发生干涉现象。当次生X射线之间的光程差等于波 长的整数倍时光波才会相互叠加，从而被观察到。
材料与冶金学院
组员：
2018/6/13
一、小角X射线散射概述：
1.1 简介： 小角X射线散射（SAXS）是指当X射线透过试样时，在靠近原 光束2o～5o的小角度范围内发生的散射现象。小角X射线散射是一 种区别于大角X射线（2θ从5o～165o）衍射（ Wide Angle X-ray Diffraction ，WAXD）的结构分析方法。利用X射线照射样品，相 应的散射角2θ小（5o～7o)，即为X射线小角散射。其可用于分析特 大晶胞物质的结构分析以及测定粒度在几十个纳米以下超细粉末 粒子（或固体物质中的超细空穴）的大小、形状及分布。可测量 高分子粒子或空隙大小和形状、共混的高聚物相结构分析、长周 期、支链度、分子链长度的分析及玻璃化转变温度的测量。
Guinier定理公式：
出R粒g 子是的粒回子转回半转径半R径g和。球通形过粒ln子I(半q) 径对qR2
作图，从斜率可求 (R= (3 / 5 )1/2Rg )。
Guinier公式必须满足qRg <1的条件才有效。
（3）两相界面是否明锐（对Porod定理的负偏离）；
（4）每一相内电子密度的均匀性（对Porod定理的正偏离）；
其一般多用于定量测定。
胶体分散体系（溶胶、凝胶、表面活性剂等） 生物大分子（蛋白质、核酸） 聚合物溶液，结晶取向聚合物（工业纤维、薄膜），嵌段
聚合物 溶致液晶、液晶态生物膜、囊泡、脂质体
I.定性分析：
（1）体系电子密度的均匀性（不均匀才有散射）；
（2）散射体的分散性（单分散或多分散，由Guinier图判 定）；
① 准直系统，获得发散度很小的平行光束，分点准 直和线准直。准直系统的狭缝越细越好，准直系 统长度越长越好，这样可获得发散度很小的平行 光束。
② 试样架 ③ 真空室 ④ 接收系统
SAXS几何装置示意图
X 光源：（1）旋转阳极靶 （2）同步辐射
探测器：（1）照相法 （3）位敏探测器
（2）计数管法 （4）成像板法
① 研究溶液中的微粒，最为简便 ② 研究生物体微结构，研究活体和动态过程 ③ 某些高分子材料的散射强度很强 ④ 研究高聚物流态过程 ⑤ 确定粒子内部封闭内孔 ⑥ 获得试样内统计平均信息 ⑦ 可准确确定两相间比内表面和离子体积百分数等参数 ⑧ 制样方便
1.2.理论基础：
20世纪初，伦琴发现了比可见光波长小的辐射。由于对该 射线性质一无所知，伦琴将其命名为X射线 (X-ray)。
到20世纪30年代，人们以固态纤维和胶态粉末为研究物 质发现了小角度X射线散射现象。
当X射线照射到试样上时，如果试样内部存在纳米尺度的 电子密度不均匀区，则会在入射光束周围的小角度范围内 （一般2 6º）出现散射X射线，这种现象称为X射线小角散 射或小角X射线散射（Small Angle X-ray Scattering,简写为 SAXS ）。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（1）针孔准直系统
使用真空准直配和照相法记录X射线强度，可得全 方位的小角散射花样，适用于取向粒子，可避免准直误 差，不适用于定量测定
计数管接收散射X射线强度。第一二狭缝宽度固定。 第三狭缝宽度可调，可挡住前两个狭缝产生的寄生散射
较高的角度分辨率，扩展了粒度的研究范围。可获得小角度
的散射强度数据，使得外推的零角散射强度值精确，提高积分不 变量的计算精度。
入射X射线
吸
收
体
热效应
透射X射线
散射X射线
相干散射 汤姆逊散射 不相干散射
电子
反冲电子 俄歇电子 光电子
荧光X射线
康普顿散射 光电效应
X射线是一种波长很短（0.05-0.25nm）的电磁波 当一束X射线照射到试样时，可观察到两个过程： (1)若试样具有周期性结构（晶区），则X射线被相干散射， 入射光和散射光之间没有波长的改变，这种过程称为大角X 射线衍射效应。 (2)若试样具有不同电子密度的非周期性结构（晶区和非晶 区），则X射线被不相干散射，有波长改变，这种过程称为 小角X射线衍射效应。
测定溶液中高分子的形态和尺寸，测定胶体中胶粒的形状、 粒度及粒度分布，研究结晶高分子中晶粒、共混高分子中 微区（分散相、连续相），高分子中空洞和裂纹的形状、 尺寸及其分布。
测定粒子量与相互作用参数 测定晶体空间结构分布 通过长周期测定研究高分子体系中晶片的取向、厚度与结
晶百分数 研究分子运动和相变
（5）散射体的自相似性（是否有分形特征）
II.定量分析：
散射体尺寸分布、平均尺度、回转半径、相关距离、 平均壁厚、散射体体积分数、比表面、平均界面层厚度、 分形维数等。
不均一体系SAXS散射
强度实验曲线是凹面如右 图（a）
在稠密体系中，考虑粒 子间相互干涉对散射的影 响，实验曲线产生极大部 分，如右图（b）和（c）。
1 .云纹法、红外热像法（只能检测材料表面情况）
云纹法(moire method)又称莫尔纹法，是变形分析的一种模拟方法，由光的 干涉而产生。此法即利用光的机械干涉形成的云纹图进行分析。分为面内和影像 (面外)云纹法两类:根据前者的平行云纹图和转动云纹图可求得应变场;后者已成功 地用于褶皱形式和断裂变形场的分析。
Porod公式：
k是Porod常数,它表明具有明锐界面的散射体在大角区 域的散射强度遵守q−4规则。正偏离反映基体微结构的不 均匀性，表明在基体上存在一定尺寸的微密度起伏，这种 密度起伏不均匀区可能是由于组分不均匀，或者晶化不完 全，存在无定形成分所致，应该对正偏离进行校正，以得 到净的孔散射。
二、 SAXS分析及其仪器结构
1. 纳米尺寸的微粒子 2. 纳米尺寸的微孔洞 3. 存在某种任意形式的电子云密度起伏 4. 在高聚物和生物体中，结晶区和非晶区交替排列形成的 长周期结构 5. 其物理实质在于散射体和周围介质的电子云密度的差异。
2.2 X射线在晶体中衍射的基本原理 射入晶体的X射线使晶体内原子的电子发生频率相等的强制 振动，因此每个原子可作为一个新的X射线源向四周发射波长 和入射线相同的次生X射线。他们波长相同，但强度非常弱。 但在晶体中存在按一定周期重复的大量原子，这些原子产生的 次生X射线会发生干涉现象。当次生X射线之间的光程差等于波 长的整数倍时光波才会相互叠加，从而被观察到。
材料与冶金学院
组员：
2018/6/13
一、小角X射线散射概述：
1.1 简介： 小角X射线散射（SAXS）是指当X射线透过试样时，在靠近原 光束2o～5o的小角度范围内发生的散射现象。小角X射线散射是一 种区别于大角X射线（2θ从5o～165o）衍射（ Wide Angle X-ray Diffraction ，WAXD）的结构分析方法。利用X射线照射样品，相 应的散射角2θ小（5o～7o)，即为X射线小角散射。其可用于分析特 大晶胞物质的结构分析以及测定粒度在几十个纳米以下超细粉末 粒子（或固体物质中的超细空穴）的大小、形状及分布。可测量 高分子粒子或空隙大小和形状、共混的高聚物相结构分析、长周 期、支链度、分子链长度的分析及玻璃化转变温度的测量。
Guinier定理公式：
出R粒g 子是的粒回子转回半转径半R径g和。球通形过粒ln子I(半q) 径对qR2
作图，从斜率可求 (R= (3 / 5 )1/2Rg )。
Guinier公式必须满足qRg <1的条件才有效。
（3）两相界面是否明锐（对Porod定理的负偏离）；
（4）每一相内电子密度的均匀性（对Porod定理的正偏离）；
其一般多用于定量测定。
胶体分散体系（溶胶、凝胶、表面活性剂等） 生物大分子（蛋白质、核酸） 聚合物溶液，结晶取向聚合物（工业纤维、薄膜），嵌段
聚合物 溶致液晶、液晶态生物膜、囊泡、脂质体
I.定性分析：
（1）体系电子密度的均匀性（不均匀才有散射）；
（2）散射体的分散性（单分散或多分散，由Guinier图判 定）；
① 准直系统，获得发散度很小的平行光束，分点准 直和线准直。准直系统的狭缝越细越好，准直系 统长度越长越好，这样可获得发散度很小的平行 光束。
② 试样架 ③ 真空室 ④ 接收系统
SAXS几何装置示意图
X 光源：（1）旋转阳极靶 （2）同步辐射
探测器：（1）照相法 （3）位敏探测器
（2）计数管法 （4）成像板法