高分子物理实验 聚丙烯的结晶形态与性能 知识回顾 实验部分 结果与讨论 思考题

知识回顾 几个关键词： 聚丙烯 结晶 形态 性能

知识回顾 聚丙烯（PP）是性能优良、应用广泛的通用塑料，具有机械性能好、无毒等优点。 本实验采取在PP中加入成核剂的方法，通过成核剂的异相成核作用，改善结晶形态，提高PP的相关性能。

知识回顾 聚合物的结构·性能 按照是否能够结晶，聚合物可分为结晶型和非晶型两种; 聚合物的结晶过程可分为成核和晶片生长两步; 结晶过程中的成核又可以分为均相成核和异相成核两种; 聚合物结晶总速率决定于成核速率和晶片生长速率;

知识回顾 聚合物的结构·性能 聚合物结构可以分为5个层次 聚合物结构决定了性能，性能反映了结构 聚合物性能包含一些动态性能和静态性能 分子运动是联系聚合物结构、性能的纽带

实验部分 实验目的 综合运用高分子物理的基本知识分析和理解成核剂与结晶速度和结晶形态的关系，结晶形态与力学性能、热性能、光学性能之间的关系； 熟悉并掌握聚合物结晶形态观察、结晶速度测定、力学性能测定、耐热性能的测定方法； 掌握常用高分子科学手册的查阅，正确、规范地书写高分子物理实验报告。

实验原理 物质发出的光波具有一切可能的振动方向，且各方向振动矢量的大小相等，称为自然光。 当矢量固定在一个固定平面内只沿一个固定方向作振动时，这种光称为偏振光。 偏振光的光矢量振动方向和传播方向所构成的面称为振动面。

自然光通过偏振棱镜或人造偏振片可获得偏振光。利用偏光原理，可对某些物质具有的偏光性进行观察的显微镜，就称为偏振光显微镜。

偏 光 显 微 镜 结 构 示 意 图 1. 仪器底座 2. 视场光阑 3. 粗动调焦手轮 4.微动调胶手轮 5. 起偏器 6. 聚光镜 偏 光 显 微 镜 结 构 示 意 图 1. 仪器底座 2. 视场光阑 3. 粗动调焦手轮 4.微动调胶手轮 5. 起偏器 6. 聚光镜 7.载物台 8. 物镜 9. 检偏器 10. 目镜 11. 勃氏镜调节手轮

用偏光显微镜研究高分子（聚合物）的结晶形态是目前较为简便而直观的方法。 偏光显微镜的成像原理与常规金相显微镜基本相似，所不同的是在光路中插入两个偏光镜。一个在载物台下方，称为下偏光镜，用来产生偏光，故又称起偏镜；另一个在载物台上方的镜筒内，称为上偏光镜，它被用来检查偏光的存在，故又称检偏镜。 凡装有两个偏光镜，而且使偏振光振动方向互相垂直的一对偏光镜称为正交偏光显微镜。

起偏镜的作用使入射光分解成振动方向互相垂直的两条线偏振光，其中一条被全反射，另一条则入射。正交偏光镜间无样品或有各向同性（立方晶体）的样品时，视域完全黑暗。 当有各向异性样品时，光波入射时发生双折射，再通过偏振光的相互干涉获得结晶物的衬度。

图1 XP-201偏光显微镜

聚丙烯的聚集态结构由晶区和非晶区两部分组成，球晶的尺寸一般在0.5～100μm之间。 由于晶区和非晶区的密度和折光率不同，而且晶区的尺寸通常大于可见光的波长（400～780nm），所以光线通过聚丙烯时在两相的界面上发生折射和反射，导致聚丙烯制品呈现半透明性。

由于结晶部分的存在，结晶聚合物较相应结构的非晶聚合物有更好的机械强度和耐热性。 近年来，聚丙烯透明化成为新产品开发的一个亮点，聚丙烯透明化产品在包装容器、注射器、家庭用品等领域的用量急剧增加。 加入结晶成核剂是聚丙烯透明化的主要改性技术。

使用成核剂改进聚丙烯透明性的关键是减少球晶或晶片的尺寸，让它小于可见光的波长。

在结晶聚合物中添加结晶成核剂，通过其异相成核作用: 一方面可以提高结晶速度，缩短成型周期； 另一方面可以增加聚合物的结晶度，从而提高聚丙烯的刚性和耐热性； 最重要的是，加入成核剂大大增加了晶核密度，导致球晶尺寸明显降低，聚合物的透明性得到改善。

实验材料和仪器 设备：带热台偏光显微镜1套。型号：XPR-201偏光显微镜和带热台XPR201熔点测定仪 本实验使用的原材料为聚丙烯树脂和含有山梨醇苄类成核剂的聚丙烯母粒。 主要仪器设备包括： 设备：带热台偏光显微镜1套。型号：XPR-201偏光显微镜和带热台XPR201熔点测定仪 器材：载玻片、盖玻片若干；切刀1把；镊子1个 材料：PP注射试样，加入成核剂的PP试样

实验内容 1．聚丙烯与成核剂的混合以及试样的制备 将聚丙烯树脂与成核剂母料接照一定配比均匀混合，在塑料注塑机上制成供测试和表征用的样品。

实验内容 2．聚丙烯结晶形态的分析表征 制备样品——使用盖玻片和载玻片分别将加入成核剂前后的聚丙烯树脂在230℃下熔融，压制成薄膜；然后在120℃的热台上等温结晶30分钟，即可制得观察聚丙烯球晶的样品。 将制备好的试样放在偏光显微镜的载物台上，选择适当的放大倍数，观察并比较加入成核剂前后聚丙烯试样的球晶形态和球晶尺寸。

实验结果与讨论 描述加入成核剂前后聚丙烯的结晶形态及其变化，测量聚丙烯晶体的大小； 讨论成核剂对结晶形态和结晶度的影响，并分析原因； 掌握聚合物的结构形态和性能的关系。

思考题 为什么球晶在偏光显微镜下呈黑十字花样？ 聚合物结晶形态有哪几种？简单描述其特征。 聚合物的球晶是如何生成的？其结构怎样？ 聚丙烯球晶的有无及其大小对聚合物的力学性能有何影响？ 为什么在观测PP球晶时，有时候看不到黑十字，而只能看到许多明暗相间的径向发射状的条纹？ 对于普通的偏光显微镜，如何将其调成为正交偏光显微镜？ 冷却速率（非等温结晶）或结晶温度（等温结晶）对聚丙烯球晶大小与球晶生长速率的影响如何?试说明原因。 聚合物的结晶过程怎样？ 简述什么叫均相成核和异相成核？ 为什么加入成核剂可以提高聚丙烯的结晶速度？为什么聚丙烯结晶度的提高能够提高其刚性和耐热性？