高分子物理实验指导书

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1、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

2、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100630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

3、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。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，

4、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。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。三、实验仪器和材料1. 偏光显微镜（ 图 1-1） 及电脑一台、附件一盒、擦镜纸、镊子；2. 热台、恒温水浴、电炉。3. 盖玻片、裁玻片。4. 聚丙烯薄膜。四、实验步骤1. 启动电脑 , 打开显微镜摄像程序AVerMedia EZCapture.2. 显徽镜调整（1）预先打开汞弧灯10min,以获得稳定的光强，插入单色滤波片。2 2） 去掉显微镜目镜，起偏片和检偏片置于90，边观察显微镜筒，边调节灯和反光镜的位置，如需

5、要可调整检偏片以获得完全消光（ 视野尽可能暗） 。3 .聚丙烯的结晶形态观察(1)切一小块聚丙烯薄膜，放于干净的载破片上，使之离开玻片边缘，在试样上盖上一 块盖玻片。(2)预先把电热板加热到 200C,将聚丙烯样品在电热板上熔融，然后迅速转移到50c的热台使之结晶，在偏光显微镜下观察球晶体，观察黑十字消光及干涉色。(3)拉开摄像杆，微调至在屏幕上观察到清晰球晶体，保存图象，把同样的样品在熔融后 于100c和0c条件下结晶，分别在电脑上保存清晰的图案。4 .聚丙烯球晶尺寸的测定?测定聚合物球晶体大小。 聚合物晶体薄片放在正交显微镜下观察，用显微镜目镜分度尺测量球晶直径，测定步骤如下；(1)将带有

6、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 两尺。(2)调节焦距使两尺平行排列、刻度清楚。并使两零点相互重合，即可算出目镜分度尺 的值。(3)取走载物台显微尺，将预测之样品置于载物台视域中心，观察并记录晶形，读出球 晶在目镜分度尺上的刻度，即可算出球晶直径大小。5 .球晶生长速度的测定(1)将聚丙烯样品在200度下熔融，然后迅速放在25度的热台上，每隔10min把球晶的 形态保存下来、直到球晶的大小不再变化为止。(2)对照照片，测量出不同时间球晶的大小，用球晶半径对时间作图，得到球晶生长速 度。6 .测定在不同温度下结晶的聚丙烯晶体的熔点(1)预先把电热板调节到 200

7、C,使聚丙烯充分熔融，然后分别在 20C、25C、30c下 结晶。每个结晶样品置于偏光显微镜的热台上加热，观察黑十字开始消失的温度、消失一半的温度和全部消失的温度，记下这三个熔融温度。(2)实验完毕，关掉热台的电源，从显微镜上取下热台。(3)关闭汞弧灯。1仪器底座 2 视场光阑3粗动调焦手轮 4 微动调焦手轮5起偏器 6 聚光镜7旋转工作台 8 物镜9检偏器图1-1偏光显微镜结构示意图五、思考题1. 聚合物结晶过程有何特点 ?形态特征如何 （包括球晶大小和分布、 球晶的边界、 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下聚合物球晶的黑十字消光现象。

8、实验二、聚合物熔体流动速率的测定一、实验目的1. 了解聚合物熔体流动速率的意义， 以及负荷与剪切应力、 熔体流动速率与剪切速率的 关系。2. 测定不同负荷下聚乙烯的熔体流动速率，并计算剪切应力、聚乙烯熔体的流动曲线。3. 学习掌握XRN-400AM熔体流动速率测定仪的使用方法。二、实验原理聚合物的剪切粘度 （ 以下简称聚合物的粘度 ） 是它的重要物性指标， 与聚合物的加工成型密切相关、 在科学研究中， 聚合物的粘度可由毛细管挤出流变仪、 同轴圆筒粘度计和锥板粘度计精确测定， 在不具备上述粘度计时， 有时可用小球（ 如自行车用的小钢珠） 在聚合物熔体的自由落下来测定熔体粘度。 但在工业上， 聚合

9、物熔体的粘度可用熔体指数或熔体流动速率来方便地表征。 熔体流动速率是指在一定温度和负荷下， 聚合物熔体每10min 通过标准口摸的质量，通常用英文缩写 MFR（Melt Flow Rate） 表示，它是衡量聚合物流动性能的个重要指标。 对于同一种聚合物， 在相同的条件下， 单位时间内流出量越大， 熔体流动速率就越大，说明其平均分子量越低，流动性越好。但对于不同聚合物，由于测定时所规定的条件不同，不能用熔体流动速率的大小来比较它们的流动性。不同的用途和不同的加工方法，对聚合物的熔体流动速率有不同的要求。一般情况下，注射成型用的聚合物其熔体流动速率较高； 挤出成型用的聚合物熔体流动速率较低； 吹塑

10、成型的介于两者之间。 但熔体流动速率是在给定的切应力下测得的。 而在实际加工过程中， 聚合物熔体处在一定的剪切速率范围内， 因此在生产中经常出现熔体流动速率值相同而牌号不同的同一种聚合物表现出不同的流动行为， 而熔体流动速率值不同却有相似的加工性能的现 象。熔体流动速率的测量是在熔体流动速率测定仪上进行的。 熔体流动速率测定仪装置相对简单，使用方便，价格也比较低，在聚合物工业中应用很普遍。本质上熔体流动速率测定仪是一种固定压力型的毛细管流变仪，因此可以应用毛细管流变仪的理论对其进行数据处理。在通常的加工条件下，聚合物熔体的粘度很高，剪切速率一般都小于104s-1 ，雷诺数很小。聚合物熔体在毛细

11、管中的流动是一种不可压缩的粘性流体的稳定流动。 当毛细管两端的压力差为A P时，管壁处的剪切应力8 r和剪切速率Y与压力差、熔体流动速率的关系式为：? 8 r=r A P/2L?2 -1? Y=4Q/tt r 3?2-2式中r为毛细管的半径，cm; L为毛细管的长度,cm; A P为毛细管两端的压力差，Pa;Q为熔体体积流动速率cm3 s。对于熔体流动速率测定仪，毛细管两端的压力差AP和熔体体积流动速率Q分别为：? AP=G/tt R2,? Q=MFR/600d? 2-3式中G为实验所加负荷；R为活塞头的半径，cm； MFRJ在此负荷下测定的熔体流动速率，g/10 min;d 为被测样品的密度

12、,g/cm3。则剪切应力和剪切速率与试验负荷和熔体流动速率 分别有如下关系：? Sr=rG/2 兀 R2L?2-4? Y=MFR/150 兀 r 3d?2-5而表观粘度Y”与熔体流动速率的关系则为：? Y! :=8 r/Y=75r d/R2LG/MFR由此，利用熔体流动速率测定仪，在恒定温度下测定不同负荷下的聚合物的熔体流动速 率，由(2-4)(2-6)式可计算得到相应的剪切应力和剪切速率以及表观粘度，并可绘制出聚合物熔体的流动曲线，由毛细管流变仪和熔体流动速率测定仪测得的聚合物流动曲线基本一 致，熔体流动速率测定仪测得的速率范围s比流变仪测得的范围(10-1-103/s -1)稍窄。? Y

13、修正=(3n+1)/4nY 修正由于绝大多数的聚合物熔体属于非牛顿流体，必须对其流动行为进行非牛顿修正。修正的公式是Rabinnowitsch Mooney经验式在剪切速率范围不大的情况下，聚合物熔体流动曲线的过渡区近似直线，以此直线的斜率来表征流动的非牛顿性程度，n就称为非牛顿性指数。?由于熔体流动速率测定仪所用的毛细管长径比约为4,远远小于40,其入口效应不可忽略，入口处的流动过程中存在着一个压力降，因此由式 (4-4)计算出的剪切应力比实际作 用于流体的应力大，出于实际剪切应力的减小与毛细管有效长度的延长是等价的，所以毛细管人口压力降的校正，可假想一段管长(er)加到实际的毛细管长度L上

14、；用(er+L)作为毛细管的总长度；用Ap/(er+L)作为均匀的压力梯度来补偿入口端压力的较大下降，这时真实的剪切应力计算为：? 8 丫修正=A p/2(er+L)=1/(1+er/L)8 丫？2-7式中r为毛细管的半径；e为与流动速率有关的经验常数，可以通过如下方法测得：在 某一剪切速率下，测定不同长径比的标准口模mm,压力降A巳以A P对L/D作曲，得一直线，在L/D轴上的截距即为一e。?入口效应的校正过程比较繁琐，工作量很大。若测试数据仅用于实验对比时，可不做 入口校正。三、实验仪器与材料电子天平(万分之一)XNR-400AM熔体流动速率测定仪 主要参数(mm为：口模直径+口模长度+料

15、筒直径+料筒长度152 +试样：聚苯乙烯粒料 四、实验步骤本仪器负荷分八级：:由活塞杠+祛码托盘+隔热套+1号祛码组成。:由活塞杠+祛码托盘+隔热套+1号+2号祛码组成。kg):由活塞杠+祛码托盘+隔热套+1号+3号祛码组成。:由活塞杠+祛码托盘+隔热套+1号+5号祛码组成。():由活塞杠+祛码托盘+隔热套+1号+5号+6号祛码组成。:由活塞杠+祛码托盘+隔热套+1号+5号+6号+7号祛码组成。:由活塞杠+祛码托盘+隔热套+1号+2号+3号+4号+5号+6号+7号祛码组成。具体步骤：1 .仪器安放平稳，用水平仪调节水平。2 .将标准口模从上端放人料筒底部，并用装料杆将其压到与口模挡板接触为止。3 .打开控制面板上的电源开关，在实验参数页设定温度至 190 C,刮料次数设定为7/s,开始升温。实际温度达到设定值后，恒温15min。4 .带上手套，取出