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XRD應(yīng)用分享 | 聚合物X射線表征

更新時(shí)間:2023-12-13點(diǎn)擊次數(shù):1300

引言

聚合物是由重復(fù)基團(tuán)長(zhǎng)鏈組成的大分子。聚合物的組成、結(jié)構(gòu)和形式?jīng)Q定了它的性能,因此這些參數(shù)的正確表征至關(guān)重要。 聚合物通常被合成為纖維、片材和其它固體形態(tài)。 這些類型的聚合物特性受其結(jié)晶度、晶體結(jié)構(gòu)和取向等結(jié)構(gòu)參數(shù)影響很大,可以使用 X 射線衍射 (XRD) 研究這些結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文介紹了XRD在聚合物結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用。

聚合物常規(guī)X射線衍射

常規(guī)的X射線常常用來(lái)表征聚合物的結(jié)晶度或是物相等信息。聚合物的結(jié)晶度是與其物理性質(zhì)有很大關(guān)系的結(jié)構(gòu)參數(shù)。有時(shí),可以通過(guò)評(píng)估結(jié)晶度來(lái)確定剛度不足,裂紋,發(fā)白和其他缺陷的原因。通常,測(cè)量結(jié)晶度的方法包括密度,熱分析,NMR、IR以及XRD方法。這里將給出通過(guò)X射線衍射技術(shù)加全譜擬合法測(cè)定結(jié)晶度的方法的說(shuō)明以及實(shí)例。對(duì)于含有非晶態(tài)的聚合物,其散射信號(hào)來(lái)源于兩部分:晶態(tài)的衍射峰和非晶態(tài)漫散峰。那么結(jié)晶度DOC則定義為晶態(tài)衍射峰面積與總散射信號(hào)面積的比值(圖1):

圖2 中展示了PP-聚丙烯XRD圖譜以及利用全譜擬合方法分離晶態(tài)峰和非晶峰計(jì)算結(jié)晶度的結(jié)果。

圖2 無(wú)取向PP樣品結(jié)晶度XRD圖譜及全譜擬合結(jié)果。藍(lán)色:測(cè)試數(shù)據(jù);紅色:擬合值。

聚合物2D/X射線衍射

對(duì)于聚合物材料,會(huì)被加成成纖維、片材、或其它形狀。而加工方式或處理工藝的不同,導(dǎo)致其結(jié)晶狀態(tài)、取向會(huì)有很大的不同。常規(guī)X射線衍射測(cè)試無(wú)法表征其全部的結(jié)構(gòu)特征。使用 2D 探測(cè)器 (XRD ) 的透射模式可以直觀且全部的獲得聚合物材料的結(jié)構(gòu)信息。下文利用布魯克D8 DISCOVER 二維X射線衍射儀測(cè)試了不同狀態(tài)的PP樣品,全部展示了二維衍射在聚合物分析中的優(yōu)勢(shì)。

圖3 PP樣品的二維X射線圖譜(左) PP1#-非晶態(tài)(中)PP2#-無(wú)取向半晶態(tài)(晶態(tài)和非晶態(tài)共存)(右) PP3#-高度取向的半晶態(tài)

從以上三張2D XRD圖譜(德拜環(huán))可以很直觀的看出三種PP樣品的結(jié)晶狀態(tài)以及取向情況。

PP2#樣品的結(jié)晶度:

對(duì)于無(wú)取向的PP2#樣品,二維衍射圖譜與常規(guī)衍射計(jì)算結(jié)晶度無(wú)太大區(qū)別。由于探測(cè)器維度的限制,一維圖譜相當(dāng)于二位圖譜中某一區(qū)域的γ方向的積分?jǐn)?shù)據(jù)。從圖4中可知,不論是任意部分積分結(jié)果還是全范圍積分結(jié)果的均是相同的,也與圖2 相同。這說(shuō)明,對(duì)于無(wú)取向樣品,不論是二維圖譜還是常規(guī)衍射得到的一維圖譜是沒(méi)有差別的,計(jì)算的結(jié)晶度也是相同的。

圖4 PP2二維圖譜積分轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S圖譜 (a)、(b)、(c)為部分區(qū)域積分結(jié)果,(d)全范圍積分結(jié)果

PP3#樣品的結(jié)晶度:

對(duì)于高度取向的PP3#樣品,在二維圖譜的不同區(qū)域獲得的一維衍射數(shù)據(jù)會(huì)有很大的不同,通過(guò)一維衍射圖譜和得到的結(jié)晶度也會(huì)有差異,無(wú)法表達(dá)樣品的真正結(jié)晶度。只有360度全范圍積分的一維圖譜才能真正用于結(jié)晶度的計(jì)算。通過(guò)以上兩個(gè)樣品的分析,我們可以了解到,對(duì)于高度取向的聚合物樣品,常規(guī)衍射儀得到的一維衍射圖譜由于取向的影響,不能表達(dá)整個(gè)樣品的衍射強(qiáng)度信息,所得到的結(jié)晶度是不對(duì)的。而二維衍射儀得到的二維圖譜,不僅可以直觀觀察樣品的取向,同時(shí)可以得到完整的衍射強(qiáng)度,進(jìn)而計(jì)算準(zhǔn)確的結(jié)晶度。

圖5 PP3二維圖譜積分轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S圖譜 (a)、(b)、(c)為部分區(qū)域積分結(jié)果,(d)全范圍積分結(jié)

取向分析 

PP3#樣品的(040)峰在二維圖譜中只存在與上下兩個(gè)方向。對(duì)樣品的(040)峰做2theta積分,可得到(040)峰強(qiáng)度的方位圖(圖6),利用方位圖峰的半高寬可進(jìn)一步計(jì)算取向度。 

圖6 PP3#樣品(040)峰強(qiáng)度隨方位角分布圖

總 之,X 射 線 衍 射 是 分 析 聚 合 物 結(jié) 構(gòu) 的 有 力 工 具 之 一,特 別 是 二 維 X 射 線 衍 射 能 夠 更 加 全 面 直 觀 的 分 析 聚 合 物結(jié)構(gòu)信息。

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