热台偏光显微镜在实验课程中的应用拓展

    众所周知，聚合物制品的实际使用性能（如光学透明性、硬度、模量等）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，因此，对聚合物结晶形态等的研究具有重要的理论和实际意义。^[1,4,6]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。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”^[2]，球晶可以长得很大。对小于几微米的球晶，用电子显微镜或小角激光光散射法进行研究^[3]；对于几微米以上的球晶，则用普通的偏光显微镜就可以进行观察。

    高分子结晶过程中影响结晶速率的因素诸多，如温度、分子结构、杂质等^[4]，其中掌握结晶速度与温度关系的规律，对于控制结晶性聚合物的结晶度，以获得所需要的使用性能，有着十分重要的意义。而测定结晶速率的实验方法主要有膨胀计法^[5]、光学解偏法及偏光显微镜法^[6]。其中膨胀计法结合 Avrami方程^[7-9]，可以准确的来描述结晶速率，但是计算处理较为繁琐。而偏光显微镜法是研究结晶过程的常用方法，在偏光显微镜下可以直接观察到球晶的轮廓尺寸。配上热台就可以在等温条件下观察聚合物球晶的生长过程，测量球晶的半径随时间的变化。大量观测结果表明，等温结晶时，球晶半径与时间成线性关系^[10]，这种关系一直保持到球晶长大到与邻近球晶发生线连接时为止。此方法非常直观、简单，又可以利用控温程序控制温度这一重要影响因素来相对比较结晶聚合物结晶过程的快慢。可用于本科生对结晶速率的计算，使学生增强对结晶过程的感性认识。同时结合结晶速率利用阿伦尼乌斯方程计算结晶活化能，拓展了热台偏光显微镜的实验课程应用，使实验教学内容变得更系统和完整。

    1　实验过程

    1.1　材料与仪器

    等规聚丙烯 (PP)，牌号为 3011E3，新加坡 TPC公司生产；

    偏 光 显 微 镜，OLYMPUS BX － 51，日 本OLYMPUS 公司。如图 1 所示。

    1.2　测试方法和条件

    PP 粒料切成片状后，将试样放在两层载玻片之间，在显微镜下以 80℃ /min 的升温速率和 50℃ /min 的降温速率在偏光显微镜热台上进行初次观察，确定 PP 粒料试样的融程与结晶的最佳观察温度，再选取 3 个温度（401 K、403 K、405K）设定为对应试样的等温结晶温度。然后控制升降温速率均为30℃ /min，观察熔融过程和结晶过程，利用光学显微镜的 CCD 系统每秒观察拍照，记录下结晶过程的球晶增长及形态变化情况，如图 2 所示。