高分子材料的鏈結(jié)構(gòu)，凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，力學(xué)狀態(tài)，熱轉(zhuǎn)變溫度以及在外界條件下的反應(yīng)和變化過程等等均對(duì)高分子材料本身的使用有著重要影響，而這些影響因素都取決于高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系。我們?cè)谔骄窟@種關(guān)系時(shí)候常常應(yīng)用到許多儀器分析方法和手段。

    今天我?guī)Т蠹沂崂硪幌赂叻肿宇I(lǐng)域常用的表征方法：

    1. 示差掃描量熱分析（DSC）

    當(dāng)物質(zhì)的物理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，如結(jié)晶、熔融、相轉(zhuǎn)變，或者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，往往伴隨著熱學(xué)性能如熱焓、比熱容、熱導(dǎo)率的變化。示差掃描量熱法就是通過測(cè)定其熱學(xué)性能的變化來表征物質(zhì)的物理或化學(xué)變化過程。DSC在聚合物研究中的應(yīng)用有以下幾點(diǎn)：

    a.玻璃化轉(zhuǎn)變過程的研究：非晶態(tài)聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變是與鏈段微布朗運(yùn)動(dòng)解凍有關(guān)的一種松弛現(xiàn)象。由于被玻璃化轉(zhuǎn)變前后聚合物的比熱容發(fā)生變化，因此在DSC熱譜圖上表現(xiàn)為基線向吸熱方向的偏移；

    b.結(jié)晶過程對(duì)熔融過程的影響：在結(jié)晶過程中結(jié)晶溫度和壓力條件對(duì)晶型、微晶大小等的影響很大，若對(duì)結(jié)晶聚合物進(jìn)行連續(xù)的重復(fù)的不同熱處理后，形成了結(jié)晶大小不連續(xù)的分布，因而熔融時(shí)就出現(xiàn)若干不連續(xù)的熔融峰；

    c.結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究：一般情況下聚合物等溫結(jié)晶的轉(zhuǎn)化率符合Avrami結(jié)晶動(dòng)力學(xué)公式：

    1-α=exp（-kt）n

    式中，α為結(jié)晶轉(zhuǎn)化率；k是結(jié)晶速率常數(shù)；n是與結(jié)晶成核和生長過程有關(guān)的整數(shù)；

    d.多相體系相容性的研究：根據(jù)DSC熱譜圖上面的Tg和Tm的變化來確定非晶態(tài)聚合物和結(jié)晶聚合物的多相體系相容性；

    e.多相體系的定量研究：對(duì)于不相容的非晶態(tài)多相體系，有兩個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變。利用DSC定量測(cè)定不相容多相體系組分含量的基礎(chǔ)是測(cè)定各組分在玻璃化轉(zhuǎn)變的比熱容變化△Cp；相容性非晶態(tài)共混物的Tg與兩組分的相對(duì)含量密切有關(guān)，可用Fox方程計(jì)算；

    f.另外，在研究固化反應(yīng)過程時(shí)常常應(yīng)用DSC測(cè)定其固化反應(yīng)熱，利用動(dòng)態(tài)法或等溫固化法研究固化過程等。

    2. 熱重分析（TGA）

    熱重分析是在程序升溫的環(huán)境中，測(cè)量試樣的重量對(duì)溫度或時(shí)間的依賴關(guān)系的一種分析方法。在熱譜圖上，橫坐標(biāo)為溫度T或時(shí)間t，縱坐標(biāo)為樣品保留重量的分?jǐn)?shù)，所得到的重量-溫度（時(shí)間）曲線成階梯狀。有的聚合物受熱時(shí)不只一次失重，每次失重的百分?jǐn)?shù)可由該失重平臺(tái)所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)數(shù)值直接得到，失重曲線開始下滑的轉(zhuǎn)折處即開始失重的溫度為起始分解溫度，曲線下降終止轉(zhuǎn)為平臺(tái)處的溫度為分解終止溫度。

    熱重分析在高分子材料研究過程中，測(cè)量與研究材料的熱穩(wěn)定性、分解過程、吸附與解吸、氧化與還原、成分的定量分析、添加劑與填充劑影響、水分與揮發(fā)物、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等特性。

    3. 紅外光譜分析（FTIR）

    紅外光譜分析是利用紅外光譜對(duì)物質(zhì)分子進(jìn)行的分析和鑒定。將一束不同波長的紅外射線照射到物質(zhì)分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。

    紅外光譜分析在高分子材料研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。一方面，端基分析對(duì)于測(cè)定分子鏈的平均聚合度和支化度都很重要，例如聚乙烯中甲基含量可用來測(cè)定其支化度。另一方面，許多聚合物含有少量添加劑如增塑劑、抗氧化劑、填充劑等，這些少量添加劑在高分子材料分析鑒定前，往往需要進(jìn)行分離和提純。應(yīng)用紅外差示光譜技術(shù)，就可將高分子材料中少量添加物的混合譜圖減去，這樣無須分離就可鑒定少量添加劑的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。

    再者，在高分子材料構(gòu)象及有序態(tài)的鑒定時(shí)，測(cè)定熔融后淬火及退火的半結(jié)晶聚合物試樣或在相同溫度下測(cè)定試樣的紅外光譜然后進(jìn)行光譜的差減，就可以得到該聚合物不同構(gòu)象或有序態(tài)的光譜。同時(shí)，在表征聚合物分子間的相互作用如相容性·、氫鍵等，高分子材料的表面和界面以及高分子材料發(fā)生的反應(yīng)等等，紅外光譜分析也是一種方便快捷的手段。

    4. 凝膠滲透色譜分析（GPC）

    凝膠滲透色譜主要應(yīng)用于高分子材料和蛋白質(zhì)的分離，可用來分離相對(duì)分子質(zhì)量從幾百萬到100這樣的一個(gè)寬相對(duì)分子質(zhì)量范圍的分子。

    由于高分子材料的物理性質(zhì)與其平均相對(duì)分子質(zhì)量積相對(duì)分子質(zhì)量分布密切相關(guān)，所以凝膠滲透色譜成了一個(gè)快速鑒定聚合物高、低相對(duì)分子質(zhì)量成分的唯一的分析工具。凝膠滲透色譜能用作表示聚合物之間差別的一種定性工具，或用作計(jì)算聚合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量分布的一種定量工具。關(guān)于凝膠色譜在高分子材料的生產(chǎn)及研究工作中的應(yīng)用可概括為以下四點(diǎn)：

    a.用于高聚物生產(chǎn)過程中中聚合工藝的選擇，聚合反應(yīng)機(jī)理的研究以及控制和監(jiān)視聚合過程；

    b.在高聚物材料的加工及使用過程中用于研究相對(duì)分子質(zhì)量及相對(duì)分子質(zhì)量分布與加工使用性能的關(guān)系，助劑在加工和使用過程的作用以及老化機(jī)理的研究；

    c.用于分離和分析高聚物材料的組成、結(jié)構(gòu)、以及高聚物單分散試樣的制備；

    d.用于小分子物質(zhì)方面的分析，如在石油及表面涂層工業(yè)方面的應(yīng)用等。

    5. 核磁共振分析（NMR）

    核磁共振分析作為一種工具在高聚物研究中應(yīng)用甚廣，如相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定、組成分析、動(dòng)力學(xué)過程、結(jié)晶度、相變等。但最為突出之處，是對(duì)高分子材料分子鏈的立體規(guī)整性、鏈節(jié)不同取向的銜接（如頭-頭、頭-尾鍵接等），鏈節(jié)序列分布及微結(jié)構(gòu)的確定。而核磁共振分析在聚合物表征方面的應(yīng)用主要包括：

    a.研究聚合物鏈的構(gòu)型；

    b.研究聚合物鏈的構(gòu)象；

    c.研究聚合物和共聚物中的序列分布及立構(gòu)規(guī)整性；

    d.鑒別聚合物的混合物、嵌段共聚物、交替共聚物和無規(guī)共聚物；

    e.研究聚合物的相容性和聚合物的共混物；

    f.研究聚合物溶液中的分子相互作用；

    g.研究聚合物的交聯(lián)等等。

    6. X射線衍射分析（XRD）

    當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí)，由于晶體是由原子有規(guī)則排列成的晶胞所組成的，而這些有規(guī)則排列成的原子間距離與入射X射線波長具有相同數(shù)量級(jí)，故由不同原子散射的X射線相互干涉疊加，可在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng)的X射線衍射。衍射方向與晶胞的形狀及大小有關(guān)。衍射強(qiáng)度則與原子在晶胞中的排列方式有關(guān)。X射線衍射在高分子材料研究中扮演重要角色，主要應(yīng)用如下：

    a.用X射線衍射方法測(cè)定聚合物的結(jié)晶度（X0）：

    X0=（W0/W）×100%

    而       Wa/W0=KIa/I0

    故       X0=[ I0/（ I0+ KIa）] ×100%

    式中W為高聚物樣品的總質(zhì)量；W0為高聚物樣品結(jié)晶部分重量；Wa為高聚物樣品非晶部分重量；I0為高聚物樣品結(jié)晶部分衍射積分強(qiáng)度；Ia為高聚物樣品非晶部分衍射積分強(qiáng)度；K為高聚物樣品結(jié)晶和非晶部分單位重量的相對(duì)散射系數(shù)。

    b.研究高聚物取向度的通用方法有X射線衍射法和光學(xué)方法。用光學(xué)方法可測(cè)得整個(gè)分子鏈或鏈段的取向，而用X射線衍射法可測(cè)量微晶（晶區(qū)分子鏈）的取向。非晶區(qū)分子鏈的取向，則由兩種方法測(cè)定的結(jié)果加以換算得出。常采用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算取向度（π）：

    π=（180°-H）/180°×100

    H為沿赤道線上Debye環(huán)（常用最強(qiáng)環(huán)）的強(qiáng)度分布曲線的半高寬，用度表示。完全取向時(shí)H=0°，π=100。無規(guī)取向時(shí)，H=180°，π=0。

    c.高聚物材料的物性除了與其結(jié)晶度、取向度有密切關(guān)系外，還常常與其微晶大小有關(guān)，而聚合物材料加工成型及熱處理過程，常常影響這個(gè)值的大小，故微晶尺寸的測(cè)量也是非常重要的。微晶大小一般采用謝樂（Schorrer）方程，如下：

    Lhkl=Kλ/βcosθ

    式中Lhkl系垂直于（hkl）晶面的微晶尺寸；λ為入射X射線的波長；θ為布拉格角；β為純衍射線增寬（用弧度表示）。

    7. 電子顯微鏡

    電子顯微鏡是一種電子光學(xué)微觀分析儀器，是將聚焦到很細(xì)的電子束打到試樣上待測(cè)定的一個(gè)微小區(qū)域，產(chǎn)生不同的信息，加以收集、整理和分析，得出材料的微觀形貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等有用的信息，如透射電鏡（TEM）、掃描電鏡（SEM）和電子探針分析（EPA）等。電子顯微鏡在分析研究高聚物時(shí)有以下應(yīng)用：

    a.電鏡可觀察非晶態(tài)高聚物微觀形態(tài)，其存在大小為3～10nm的“球粒結(jié)構(gòu)”和局部有序區(qū)域；

    b.用電鏡可以觀察到聚合物的各種結(jié)晶形態(tài)，如折疊鏈晶片、串晶、伸直鏈晶等

    c.研究纖維和織物的織構(gòu)及其缺陷特征，同時(shí)還用于研究纖維的斷裂特征，從而進(jìn)一步弄清楚各種纖維的斷裂機(jī)理等；

    d.電鏡廣泛用于各種聚合物及其共混物的結(jié)構(gòu)，以及它們斷口形態(tài)特征與其力學(xué)行為關(guān)系等；

    e.此外，電鏡還廣泛用于復(fù)合材料的各種故障結(jié)構(gòu)分析，以及研究高聚物材料作為涂層、膠黏劑、薄膜時(shí)，形成高聚物膜的結(jié)構(gòu)及其黏結(jié)狀態(tài)。

    8. X射線光電子能譜儀（XPS）

    XPS技術(shù)已被公認(rèn)為研究固態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)與性能最好的技術(shù)之一。它不但可以研究簡(jiǎn)單的均聚物，而且可以研究共聚物、交聯(lián)聚合物和共混物聚合物。在對(duì)黏結(jié)、聚合物降解以及聚合物中添加劑的擴(kuò)散、聚合物表面化學(xué)改性、等離子體和電暈放電表面改性等工藝的應(yīng)用得到了很多重視，已顯示出良好的應(yīng)用前景。

    9. 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）

    動(dòng)態(tài)機(jī)械分析是使樣品處于程序控制的溫度下，并施加單頻或多頻的振蕩力，研究樣品的機(jī)械行為，測(cè)定其儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗因子隨溫度、時(shí)間與力的頻率的函數(shù)關(guān)系。廣泛應(yīng)用于熱塑性與熱固性塑料、橡膠、涂料、金屬與合金、無機(jī)材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域，研究聚合物轉(zhuǎn)變溫度與結(jié)構(gòu)性能、聚合的模量與內(nèi)耗、聚合物的多重轉(zhuǎn)變以及多嵌段聚合物組成對(duì)性能的影響等。

    10. 流變分析

    高分子材料通常變現(xiàn)出較為復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)，它們既能流動(dòng)又能變形，既有粘性，又有彈性；形變中會(huì)發(fā)生粘性損耗，流動(dòng)時(shí)又有彈性記憶效應(yīng)，粘彈性結(jié)合，流變性并存，而表征這些性能時(shí)我們常常采用流變儀，包含有旋轉(zhuǎn)流變儀、毛細(xì)管流變儀、轉(zhuǎn)矩流變儀、界面流變儀等設(shè)備。通過流變曲線可以獲得聚合物在相應(yīng)加工過程中的流變數(shù)據(jù)，從而為產(chǎn)品評(píng)定、工藝調(diào)試等提供理論和技術(shù)方面的指導(dǎo)。

    另外，近些年來在許多科研工作者根據(jù)需要也用到了其他的分析測(cè)定儀器和方法，如萬能試驗(yàn)機(jī)、偏光分析、光聲光譜分析、中子散射法、小角光散射法、掃描超聲顯微鏡等，為高分子材料的深入研究提供了豐富而有力的表征手段。

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