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高分子领域常用的表征方法之X射线衍射分析(XRD)

2018.4.03

当一束单色X射线入射到晶体时,由于晶体是由原子有规则排列成的晶胞所组成的,而这些有规则排列成的原子间距离与入射X射线波长具有相同数量级,故由不同原子散射的X射线相互干涉叠加,可在某些特殊方向上产生强的X射线衍射。衍射方向与晶胞的形状及大小有关。衍射强度则与原子在晶胞中的排列方式有关。X射线衍射在高分子材料研究中扮演重要角色,主要应用如下:

a.用X射线衍射方法测定聚合物的结晶度(X0):

X0=(W0/W)×100%

而                                                                                                                                                                                                 Wa/W0=KIa/I0

故                                                                                                                                                                                        X0=[ I0/( I0+ KIa)] ×100%

式中W为高聚物样品的总质量;W0为高聚物样品结晶部分重量;Wa为高聚物样品非晶部分重量;I0为高聚物样品结晶部分衍射积分强度;Ia为高聚物样品非晶部分衍射积分强度;K为高聚物样品结晶和非晶部分单位重量的相对散射系数。

b.研究高聚物取向度的通用方法有X射线衍射法和光学方法。用光学方法可测得整个分子链或链段的取向,而用X射线衍射法可测量微晶(晶区分子链)的取向。非晶区分子链的取向,则由两种方法测定的结果加以换算得出。常采用下面经验公式计算取向度(π):

π=(180°-H)/180°×100

H为沿赤道线上Debye环(常用最强环)的强度分布曲线的半高宽,用度表示。完全取向时H=0°,π=100。无规取向时,H=180°,π=0。

c.高聚物材料的物性除了与其结晶度、取向度有密切关系外,还常常与其微晶大小有关,而聚合物材料加工成型及热处理过程,常常影响这个值的大小,故微晶尺寸的测量也是非常重要的。微晶大小一般采用谢乐(Schorrer)方程,如下:

Lhkl=Kλ/βcosθ

式中Lhkl系垂直于(hkl)晶面的微晶尺寸;λ为入射X射线的波长;θ为布拉格角;β为纯衍射线增宽(用弧度表示)。


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