光学解偏振法测聚合物的结晶速度

一、实验目的

1、加深对聚合物的结晶动力学特征的认识。

2、了解光学解偏振法测定结晶速度的基本原理。

3、熟悉JJY－3型结晶速度仪的操作。

4、掌握光学解偏振法测定等规聚丙烯结晶速度的实验技术。

二、实验原理

熔融态结晶的聚合物大多数都呈现为球晶结构。通过电子显微镜观察球晶长大的过程时，起始晶核先转变成一个小的微纤维，在结晶的过程中，它又以一些匀称的空间角度向外支化出微纤束，当长得足够大时，这些微纤束就构成球状结晶。电子衍射实验证明了球晶中分子链（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方向，如图1所示，其中a、b、e轴表示单位晶胞在各方向上的取向。

分子链的取向排列使球晶在光学性质上是各向异性的，都会发生双折射。光学解偏振法是根据聚合物结晶过程中伴随着双折射性质变化的原理，即由置于正交偏光镜之间的聚合物熔体结晶时产生的解偏振光强度变化来确定结晶速度。

由实验测定等温结晶的解偏振光强－时间曲线（图2），从曲线可以看出，在达到样品的热平衡时间后，首先是结晶速度很慢的诱导期，在此期间没有透过光的解偏振发生，而随着结晶开始，解偏振光强的增强越来越快，并以指数函数形式增大到某一数值后又逐渐减小，直到趋近于一个平衡值。对于聚合物而言，因链段松弛时间范围很宽，结晶终止往往需要很长时间，为了实验测量的方便，通常采用作为表征聚合物结晶速度的参数，为半结晶期，可从图2中直接求得，即令时所对应的时间。

根据过冷熔体本体结晶的球状对称生长理论，阿夫拉米（Avrami）指出，聚合物结晶过程可用下面的方程式描述：

式中：C为t时刻的结晶度；K为与成核及核成长有关的结晶速度常数；n为Avrami指数，为整数，它与成核机理和生长方式有关。

因为结晶速度与透射光的解偏振光强成正比，所以可将描述过冷聚合物熔体等温结晶过程的Avrami方程推广到光学解偏振法中来：

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实验一  熔体流动速率的测定

塑料熔体流动速率（MFR）：是指在一定温度和负荷下，塑料熔体每10min通过标准口模的质量。

实验原理：一定结构的塑料熔体，若所测得MFR愈大，表示该塑料熔体的平均分子量愈低，成型时流动性愈好。但此种仪器测得的流动性能指标是在低剪切速率下获得的，不存在广泛的应力－应变速率关系。因而不能用来研究塑料熔体粘度与温度，粘度与剪切速率的依赖关系，仅能比较相同结构聚合物分子量或熔体粘度的相对数值。

（1）为什么要分段取样？答：分段取样取平均值能使实验结果更精确，且利于去除坏点，减小试验误差。

（2）哪些因素影响实验结果？举例说明。答：①标准口模内径的选择  不同的塑料应选择不同的口模内径，否则实验误差较大。②实验温度 物料的形态与温度有关，不同的温度下，物料的熔体流动速率不同。③负荷 不同负荷下，压力不同则影响样条质量。

实验二 扫描电子显微镜观察物质表面微观结构

背散射电子

背散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。背散射电子来自样品表层几百纳米的深度范围，被散射电子系数可用л=KE^m表示，式中，K，m均为与原子序数有关的常数。因此，它的产额能随样品原予序数增大而增多．所以不仅能用作形貌分折，而且可以用来显示原子序数衬度，定性地用作成分分析。

二次电子

    在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品的核外电子叫做二次电子。

    二次电子的能量较低，一般都不超过8×10^-19J（50ev），大多数二次电子只带有几个电子伏能量，因此二次电子逃逸深度一般只在表层5－10nm深度范围内。

二次电子发射系数与入射电子和样品表面法线夹角а的关系可用σ_а=σ/cosа表示，可见样品的棱角、尖峰等处会产生较多的二次电子，因此，二次电子对样品的表面形貌十分敏感，能非常有效的显示样品的表面形貌。二次电子的产额和原子序数之间役有明显的依赖关系。所以不能用它来进行成分分折。

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高分子物理实验报告

实验八 表面张力测试

注意事项：1，操作前，要打开仪器预热10分钟。

          2，用镊子取白金板，用水冲洗时，应注意与水保持一定角度，防止板面被水冲的变形。

          3，通常用水清洗即可，但遇有机液体或其他污染物时，用水无法清洗时，可用丙酮或20％HCl加热十五分钟进行清洗。再用水清洗即可。

4，在样品皿中倒待测液体时可多倒一些，方便白金板浸入到液体内。

数据处理： 实验溶液为：乙醇，三次测得的数据为：1，21.2N/M  2，21.1N/M  3，21.2N/M

实验感想：本实验用到的是一种转换的思想，利用平衡的原理通过测白金板重力间接得出溶液的表面张力。我们平时思考问题时也可以采用这种方法利用转换的思想解决一些问题。

实验六 偏光显微镜观察聚合物球晶形态

注意事项：1，待颗粒熔融后，以45?斜角盖上另一块载玻片，加压成膜。

          2，加热好后，注意用镊子拿取，高温防止烫到手。

          3，选择好合适的目镜和物镜，防止物镜接触到待测物体防止刮花物镜。

数据处理：没有数据

实验感想：本实验利用偏光显微镜观察球晶的形态，PE的球晶容易做出来，PP的比较困难，熔融后粘度太大，不容易变为单薄的一层，不太容易观察到球晶形态，做实验时要耐心。

实验五 DZ3331型 差热分析仪

注意事项：1，样品托千万不能收受力，否则会变形导致一起损坏。

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南 昌 大 学 实 验 报 告

实验项目名称：_______膨胀计法测定聚合物的玻璃化转变温度______________

学生姓名：____________ 学    号：___________ 专业班级：______________

实验类别：? 基础 Ö 专业         实验类型：Ö 验证 ? 综合 ? 设计 ? 创新

实验要求：Ö 必修 ? 选修         实验日期：___________  实验成绩：________

一、实验目的

1. 了解膨胀计测量聚合物玻璃化温度的方法。

2. 深入理解自由体积概念在高分子学科中的重要性。

二、实验基本原理

在玻璃态下，由于链段运动被冻结，自由体积也被冻结，聚合物随温度升高而发生的膨胀只是由于正常的分子膨胀过程造成的，而在以上，除了正常的分子膨胀过程外，还有自由体积的膨胀，因此高弹态的膨胀系数比玻璃态的膨胀系数来得大。若以比容对温度作图，在就要发生斜率的变化。

三、主要仪器设备及耗材

膨胀计、水浴及加热器、颗粒状尼龙6、丙三醇。

四、实验步骤

1. 洗净膨胀计，烘干。装入尼龙6颗粒至比重瓶的4/5体积。

2. 在膨胀管内加入丙三醇作为介质，用玻璃棒搅动（或抽气）使膨胀管内没有气泡。

3. 再加入丙三醇至比重瓶口，插入毛细管，使丙三醇的液面在毛细管下部，磨口接头用弹簧固定，如果管内发现有气泡要重装。

4. 将装好的膨胀计浸入水浴中，于30°C恒定20min后，设置最高温度为60°C，控制水浴升温速率约为1.25°C/min。

5. 读取水浴温度和毛细管内丙三醇液面的高度，从30～55°C每升高1°C读数一次（升温速率控制为0.5°C/min），到55°C为止。

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实验一  熔体流动速率的测定

塑料熔体流动速率（MFR）：是指在一定温度和负荷下，塑料熔体每10min通过标准口模的质量。

实验原理：一定结构的塑料熔体，若所测得MFR愈大，表示该塑料熔体的平均分子量愈低，成型时流动性愈好。但此种仪器测得的流动性能指标是在低剪切速率下获得的，不存在广泛的应力－应变速率关系。因而不能用来研究塑料熔体粘度与温度，粘度与剪切速率的依赖关系，仅能比较相同结构聚合物分子量或熔体粘度的相对数值。

（1）为什么要分段取样？答：分段取样取平均值能使实验结果更精确，且利于去除坏点，减小试验误差。

（2）哪些因素影响实验结果？举例说明。答：①标准口模内径的选择  不同的塑料应选择不同的口模内径，否则实验误差较大。②实验温度 物料的形态与温度有关，不同的温度下，物料的熔体流动速率不同。③负荷 不同负荷下，压力不同则影响样条质量。

实验二 扫描电子显微镜观察物质表面微观结构

背散射电子

背散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。背散射电子来自样品表层几百纳米的深度范围，被散射电子系数可用л=KE^m表示，式中，K，m均为与原子序数有关的常数。因此，它的产额能随样品原予序数增大而增多．所以不仅能用作形貌分折，而且可以用来显示原子序数衬度，定性地用作成分分析。

二次电子

    在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品的核外电子叫做二次电子。

    二次电子的能量较低，一般都不超过8×10^-19J（50ev），大多数二次电子只带有几个电子伏能量，因此二次电子逃逸深度一般只在表层5－10nm深度范围内。

二次电子发射系数与入射电子和样品表面法线夹角а的关系可用σ_а=σ/cosа表示，可见样品的棱角、尖峰等处会产生较多的二次电子，因此，二次电子对样品的表面形貌十分敏感，能非常有效的显示样品的表面形貌。二次电子的产额和原子序数之间役有明显的依赖关系。所以不能用它来进行成分分折。

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高分子物理实验教学大纲

课程编号：110057

课程名称：高分子物理实验

英文名称：Experiments in Polymer Physics

学分：1.5 学分

学时：50 学时

适用年级专业(学科类)：材料科学与材料工程类，高分子材料与工程专业，材料化学，四年级。

一、 课程说明

（一）课程性质：

高分子物理实验是高分子科学体系的重要组成部分，是从事高分子科学与材料研究的最基础的实验技术，是研究和表征聚合物结构和性能关系的一门实验科学，是高分子材料与工程专业、材料化学专业的一门专业必修课。

（二）教学目的和要求：

本实验课的目的是使学生掌握测定和研究聚合物的结构、力学性能、电性能、热性能及溶液性质的方法和手段，对聚合物结构与性能之间关系获得初步认识。通过本课程的学习使学生增加感性认识，加深理论知识的理解，提高学生的动手能力和实验技能，培养学生的科学态度和工作作风。使学生逐步具备一定的从事科学研究的思维方法和实验能力。基本要求：

1、使学生进一步理解高分子物理学中的一些基本概念和基本原理。如：玻璃化温度、熔限、特性粘数、溶度参数、θ温度等。

2、使学生了解聚合物结构和性能之间的关系，对晶态、非晶态、交联等聚合物结构与性能之间关系有所认识。

3、使学生掌握测定和表征聚合物性质的一些基本方法、手段和操作，如分子量、分子量分布、无干扰尺寸、熔点、耐热性及电性能等。

4、实验课所列的实验方法一般应为成熟、经典的实验方法，但应根据条件尽量开设现代化的实验、结合最新科研成果的实验，以开阔学生眼界，提高实验课水平。

5、本课程采用的教材是参考北京大学、南开大学、中山大学、兰州大学和复旦大学等兄弟院校的教学内容编写的自编教材。

（三）重点、难点：

掌握高分子化合物表征的基本方法，难点是高分子分子量的测定与分子量分布，高分子聚集态结构的表征。

（四）与其他课程的关系：

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实验一  粘度法测定聚乳酸的分子量

在所有的聚合分子量测定方法中，粘度法尽管是一种相对的方法，但因它仪器设备简单，操作便利，分子量适用范围大，又有相当好的实验精确度，所以成为人们最常用的实验技术。粘度法除了主要用来测定粘均分子量外，还可用于测定溶液中的大分子尺寸，测定聚合物的溶度参数等。

一、实验目的

（1）掌握测定聚合物溶液粘度的实验技术。

（2）掌握粘度法测定聚合物分子量的基本原理以及计算方法。

（3）测定聚乳酸溶液的特性粘度，并计算其平均分子量。

二、实验原理

线型高分子溶液的基本特性之一是粘度比较大，并且其粘度值与平均分子量有关，因此可利用这一特性测定其分子量。

粘度除与分子量有密切关系外，对溶液浓度也有很大的依赖性，故实验中首先要消除浓度对粘度的影响，常以如下二个经验公式表达粘度对浓度的依赖关系。

  η_SP/c=[η]+k´[η]²c                                  （1）

  lnη_r/c=[η]-β[η]²c                                （2）

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