SEM在高分子結(jié)構(gòu)研究中的應用

1、SEM在高分子結(jié)構(gòu)研究中的應用摘要：討論了掃描電子顯微鏡(SEM堆高分子材料研究中的應用。說明sem在高分子材料的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)分析、界面控制、斷裂機制、增韌機理等研究中發(fā)揮著舉足輕重的作用。關(guān)鍵詞：掃描電子顯微鏡；高分子材料；界面形態(tài)增韌機理一SEM的工作原理及特點掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope),簡稱SEM是一種大型的分析儀器，是30年代中期發(fā)展起來的一種新型電鏡，是一種多功能的電子顯微分析儀器，主要功能是對固態(tài)物質(zhì)的形貌顯微分析和對常規(guī)成分的微區(qū)分析，廣泛應用于化工、材料、醫(yī)藥、生物、礦產(chǎn)、司法等領(lǐng)域。掃描電鏡所能顯示各種圖像的依據(jù)是電子與物質(zhì)的相互作

2、用，當高能入射電子束轟擊樣品表面，由于入射電子柬與樣品間的相互作用，將有99%上的入射電子能量轉(zhuǎn)變成樣品熱能。約1%勺入射電子能量,將從樣品中激發(fā)出各種有用的信息，包括二次電子、透射電子、俄歇電子、x射線等不同的信息，反映樣品本身不同的物理、化學性質(zhì)掃描電鏡的功能就是根據(jù)不同信息產(chǎn)生的機理，采用不同的信息檢則器，以實現(xiàn)選擇檢測掃描電鏡的圖像。SEM由電子光學系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。電子光學系統(tǒng)是由電子槍、磁透鏡、掃描線圈以及樣品室組成；顯示系統(tǒng)包括信號的收集、放大、處理、顯示與記錄部分。從電子槍燈絲發(fā)出直徑約2030um的電子束，受到陽極140kV高壓的加速射向鏡筒，經(jīng)過聚光鏡和物鏡的會聚作用，縮

3、小成直徑約八一納米的狹窄電子束射到樣品上。電子柬與樣品的相互作用將產(chǎn)生多種反射電子信號，包括二次電子、背散射電子、俄歇電子等，其中最重要的是二次電子，經(jīng)信號收集器收集、放大、處理，最終將樣品形貌顯示在顯示器上。掃描電子顯微鏡相對于光學顯微鏡、透射電子顯微鏡有一些極有價值的特點。首先，它能在很大的放大倍數(shù)范圍工作，從幾倍到幾十萬倍，相當于從光學放大鏡到透射電鏡的放大范圍。弁且具有很高的分辨率，可達l-3nm其次。它具有很大的焦深，300倍于光學顯微鏡，因而對于復雜而粗糙的樣品表面，仍然可得到清晰聚焦的圖像.圖像立體感強.易于分析；再次，樣品制備較簡單，對于材料樣品僅需簡單的清潔、鍍膜即可觀察，弁

4、且對樣品的尺寸要求很低，操作十分簡單。二sem在聚合物界面形態(tài)及表面改性處理研究中的應用觀察界面形態(tài)聚合物的表面物理形態(tài)和化學結(jié)構(gòu)是決定材料性能的基本因素，也是影響聚合物的表面的摩擦性能、光學性能、吸水性和生物相容性等性能的主要因素。用掃描電鏡觀察、分析聚合物表面形貌特征。樣品噴金后可直接放入樣品室進行觀察。根據(jù)聚合物的微觀結(jié)構(gòu)不同，即不同形態(tài)特征區(qū)分各種聚合物，同時聚合物表面的各種元素產(chǎn)生具有不同能量的特征X射線，分析這些X射線的能量就可知道組成的元素，可看出各種聚合物微量元素成分的差別，從這兩方面對聚合物進行種屬鑒定和聚合物鑒別，在鑒別基礎(chǔ)上可通過熒光屏準確地測定各類聚合物的尺寸和形態(tài)，得

5、出各類聚合物的定量分析。還可應用電鏡觀察聚合物結(jié)構(gòu)特征、聚合物排列形態(tài)、聚合物表面分布等項目來分析聚合物的物理機械性質(zhì)、耐磨、染色性能。表面改性處理的研究表面改性處理的手段主要包括化學氧化法、低溫等離子體改性、輻射接枝法等。經(jīng)過改性處理的聚合物可用SEM口EDS來觀察其微觀結(jié)構(gòu)組成以及表面化學成分、濃度分布，這樣就可以用它測定聚合物接觸表面上的沉積物以及由于磨損、刻蝕、沉淀、輻射等而導致的表面性質(zhì)的變化。還可以為評定材料表面性質(zhì)的專家提供相關(guān)的技術(shù)支持。對研究改性的生產(chǎn)工藝，開發(fā)新用途都具有重要的意義。O三sem在聚合物的增韌機理研究中的應用高分子聚合物的斷裂一般分為脆性斷裂和韌性斷裂。脆性斷

6、裂的斷面較光滑而韌性斷裂的斷面較粗糙,聚合物的增韌就是把聚合物的斷裂方式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂,使聚合物在受到拉伸時有較高的斷裂伸長率,在受到?jīng)_擊時不易破壞。掃描電鏡的大場深和大視場可清晰顯示聚合物斷裂的三維形貌，而在較高放大倍數(shù)下又能觀察斷裂面局部區(qū)域的微細結(jié)構(gòu)，這種圖像有助于研究裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展以及尋找裂縫源。利用掃描電鏡觀察、分析材料的斷口特征，對斷裂機理分析歸類，明確斷裂類型，其次是對裂紋源位置和擴展方向的判定，可根據(jù)斷口學原理判斷斷裂性質(zhì)，追溯斷裂原因，調(diào)查斷裂是跟原材料質(zhì)量有關(guān)還是跟后續(xù)加工或使用情況有關(guān)等等。減少缺陷數(shù)目和尺寸，改善聚合物性能。有的型號的掃描電鏡帶有較大拉力的拉

7、伸臺裝置，這就為研究聚合物斷裂過程的動態(tài)過程提供了很大的方便?？捎脕硌芯烤酆衔锏臋C械力學性能等。在試樣拉伸的同時既可以直接觀察裂紋的萌生及擴展與纖維顯微組織之間的關(guān)系，又可以連續(xù)記錄下來，為高分子材料研究提供最直接的證據(jù)。張會軒等用SEM講究了低膠ABS樹脂與PVCW脂共?g制得PVC勺增韌機理，發(fā)現(xiàn)沖擊斷面周圍應力發(fā)白區(qū)域內(nèi)發(fā)生了空洞化,由此提出PVC勺增韌機理是橡膠粒子的空洞化引發(fā)塑料基體的剪切屈服。這種增韌機理可能具有一定的普遍性，適用于大多數(shù)塑料品種的增韌。金善科等采用彈性體(Delene1175G)和無堿玻璃纖維(GF)對聚丙烯(PP)進行了復合改性研究，弁用SEM4行了組織結(jié)構(gòu)觀察

8、。實驗結(jié)果表明：彈性體和經(jīng)偶聯(lián)劑處理的無堿玻璃纖維可大幅提高PP復合體系的機械性能；不用偶聯(lián)劑處理的GF增強作用甚微。劉衛(wèi)東等采用SEMW究NR/BFa化膠熱氧老化前后拉伸斷面的表面形態(tài)時發(fā)現(xiàn)：試樣老化前為韌性斷裂,隨熱氧老化時間的延長,破壞面上纖維層變薄，粗糙度下降，表現(xiàn)出向脆性斷裂轉(zhuǎn)化的性質(zhì)。倪玉山等用SEM觀察了橡膠中微觀組織結(jié)構(gòu)，研究輪胎中橡膠在疲勞情況下的斷口形貌，分析了其微觀破壞機理，說明材料微觀損傷斷裂的力學和物理過程。Mathew等采用SE耐究了硫化體系、炭黑、抗氧劑及溫度對NR硫化膠疲勞斷裂的影響。四sem在聚合物多相復合體系研究中的應用復合材料的性能同其形態(tài)結(jié)構(gòu)和相之間界面

9、狀態(tài)密不可分。用SE則以直接觀察聚合物試樣的形態(tài)結(jié)構(gòu),得出聚合物相形態(tài)隨不同組分體積組成比變化的規(guī)律,而且可以區(qū)分相轉(zhuǎn)變過程中不同階段形態(tài)的差別。填充塑料中界面區(qū)的存在是導致復合材料具有特殊復合效應的重要原因之一。通過界面區(qū)使塑料與樹脂結(jié)合成一個整體，弁通過它傳遞應力。界面的存在有阻止裂紋擴展和減緩應力集中的作用,即起到松弛作用,因此界面粘結(jié)性能的強弱直接影響復合材料的性能。沈惠玲等分別將MPP1MPP極鋁酸酯偶聯(lián)劑加入到PP/CaSO41須的復合體系中，弁用SEM寸不同復合體系的界面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)進行了觀察和研究，結(jié)果顯示含有MPP1的復合體系能促進晶須的分散,使兩相界面結(jié)合能力提高，拉伸強

10、度此時有一最佳值。五sem在聚合物顯微組織研究中的應用在掃描電鏡的高倍觀察條件下，材料的顯微組織十分清晰。可用來觀察聚合物的孔洞結(jié)構(gòu)，分析不同的孔洞結(jié)構(gòu)與聚合物性能之間的關(guān)系?；蛟诙嘞嘟Y(jié)構(gòu)材料中，特別是在某些共晶材料和復合材料的顯微組織和分析方面，由于可以借助于掃描電鏡景深大的特點，所以完全可以采用深浸蝕的方法，把基體相溶去一定的深度，使得欲觀察和研究的相顯露出來，這樣就可以在掃描電鏡下觀察到該相的三維立體的形態(tài)，這是光學顯微鏡和透射電鏡無法做到的。六sem在聚合物生物相容性研究中的應用交聯(lián)聚乙烯醇(CPVA)微球是一種生物相容性聚合物微球,利用其表面大量的羥基,與鈾鹽構(gòu)成氧化還原引發(fā)體系,實

11、現(xiàn)了甲基丙烯酸(MAA)的表面引發(fā)接枝聚合,制備了接枝微球CPVA-g-PMAA張正國等采用掃描電子顯微鏡(SEM測定法,對接枝微球的化學結(jié)構(gòu)及物理化學特性進行了表征。初步考察了接枝微球CPVA-g-PMAA寸代謝分子肌酊(Cr)及藥物分子5-氟尿喘咤(5-FU)的吸附性能，分析了吸附機理。實驗結(jié)果表明，較大的pH值范圍內(nèi)，接枝微球CPVA-g-PMAASzeta電位為絕對值較大的負值，即其表面攜帶高密度的負電荷。受靜電相互作用的驅(qū)動,接枝微球CP-VA-g-PMAM含N的Cr及5-FU分子表現(xiàn)出很強的吸附能力。;掃描電子顯微鏡在材料的分析和研究方面有著很重要的作用，凡是對材料斷口分析，微區(qū)成

12、分分析，各種表面形貌分析、顯微組織形貌及納米材料分析等等研究都離不開掃描電子顯微鏡的觀察，只有在微觀狀態(tài)下我們才能夠更深入了解大千世界的物質(zhì)，從本質(zhì)上認識材料的機理、組織、性能，這為我們打開未來的世界科學大門提供了很好的工具。目前，高溫樣品臺、動態(tài)拉伸臺、能譜儀和掃描電鏡的組合，可在得到較好的試樣形貌像的前提下，同時得到成分信息和晶體學的信息，使得掃描電鏡必將在高分子材料工藝研究和品種開發(fā)等方面發(fā)揮更大的作用。參考文獻：1 ,電子顯微鏡的原理與應用J.現(xiàn)代儀器使用與維修，1996.(1)t45-48.2 SabetAbdou.PatelPA.MorphologyofElastomerieAll

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