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。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。