小于几微米的球晶可以用电子显微镜观察或使用激光小角散射进行研究。 结晶聚合物材料及制品的实际性能（如光学透明度、冲击强度等）与材料内部的晶型、晶粒尺寸和完善程度密切相关。 例如，较小的球晶可以提高材料的冲击强度和断裂伸长率； 球晶的大小对聚合物材料的透明度有更显着的影响：聚合物晶体区域的折射率大于非晶区域，球晶的存在会产生光的散射，降低透明度。 球晶越小，透明度越高。 当球晶的尺寸小到与光的波长相当时，可以获得透明材料。 因此，研究聚合物晶体形貌和尺寸具有重要的理论和实际意义。 球晶的生长以晶核为中心。 从初级晶核生长的片晶在晶体缺陷点处蓬勃发展并分支，形成新的片晶。 它们在生长过程中弯曲和扭曲，并进一步分支形成新的薄片。 ，依此类推，最终形成以晶核为中心，三维向外发散的球形晶体。 实验证实，球晶中的分子链垂直于球晶的径向。 图1 球晶生长示意图 (b) 球晶生长 (c) 生长的球体 晶体偏光显微镜的最佳分辨率为200nm，有效放大倍数超过500-1000倍。 与电子显微镜和X射线衍射结合可以提供更全面的晶体结构信息。 光是一种电磁波，即横波，其传播方向与振动方向垂直。
但对于自然光来说，它的振动方向是均匀分布的，没有一个方向占主导地位。 但通过反射、折射或选择性吸收，可以将自然光转化为只沿一个方向振动的光波，即偏振光（如图1-1所示，箭头表示振动方向，传播方向垂直于纸张）。 图 1-2 共聚聚丙烯在 145oC 时的球晶照片。 使用偏光显微镜观察球晶结构是基于聚合物晶体的双折射性质。 当一束光进入各向同性均匀介质时，光速不随传播方向变化，因此在各个方向上具有相同的折射率。 对于各向异性晶体，它们的光学性质随方向而变化。 当光通过它时，会分解成两束振动面互相垂直的光束。 它们的传播速度除光轴方向外一般不相等，因此产生两束折射率不同的光线。 这种现象称为双折射。 晶体的所有化学性质都与双折射有关。 在正交偏光显微镜下观察，聚合物处于熔融状态时，呈各向同性，不发生双折射。 光线被交叉偏光镜阻挡，视野变暗。 球晶会呈现出独特的黑色交叉消光现象。 黑色十字的两个臂平行于两个偏振轴的方向。 除了偏光片的振动方向外，其余的光都是由于折射而出现的。 聚合物冷却并从熔体中结晶后，成为光学各向异性体。 当晶体的振动方向与上下偏光片的振动方向不一致时，视野明亮，可以观察到晶体。 图1-2是共聚物聚合物。 145oC 时丙烯酸球晶的照片。
下面用数学知识简单解释一下原因，见图1-3。 图中，PP表示起偏器的振动方向，AA表示检偏器的振动方向，NN和MM是晶体中某一平面内的两个振动方向。 图1-3 从图中可以看出，晶体截面内的振动方向与偏光片的振动方向不一致。 设N振动方向与偏振器振动方向PP之间的角度为α。 光线首先进入偏光片，从偏光片透过的平面偏振光的振幅为OB。 光线继续照射芯片。 由于截面中的两个振动方向与PP方向不一致，因此必须将其分解为晶体的两个振动。 平面内，N方向的光的振幅为OD，M方向的光的振幅为OE。 从晶圆发射的两束平面偏振光继续照射到分析仪上。 由于分析仪的振动方向与晶面内的振动方向不一致，因此必须将每个平面偏振光一分为二，即OD振幅光分解为OF和DF振幅光，OE振幅光分解分为 EG 和 OG 振幅光。 振幅为DF和EG的光由于其振动方向垂直于检偏器的振动平面而无法透过，而振幅为OG和OF的光则位于检偏器的振动平面内，因此可以透过。 当两个光波在同一平面内振动时，必然会发生干涉。 它们的合成波为： Y=OF-OG=ODsinα-OEcosα (1) OD=OBcosαOB=Asinωt 又由于芯片内N、M方向振动的两路光波速度不相等，折射率为也不同，设相位差为δ，则： OD=OBcosα (2) OE=OBsinα=Asin(ωt-δ)sinα (3) 将(2)和(3)代入(1)整理得： Y= Asin2α∙(ωt-) (4) 由于合成光的强度与合成光振幅的平方成正比，由式(4)可得： I=α∙sin2 其中A为入射光光振幅，a是芯片内振动方向与偏光片振动方向之间的夹角。 旋转载物台可以改变a。 当a=p/4、3p/4、5p/4、7p/5...时，光线强度最大，视力最高。
如果晶体截面中的两个振动方向与上下偏光片的振动方向成45°，则此时晶体的亮度最大。 当a=0、p/2、3p/2…、I=0时，视野为全视场。 黑色，如果晶体截面内的振动方向与起偏器（或检偏器）的振动方向平行，即a=0，则晶体全黑。 当晶体的轴与偏光片的振动方向一致时，也会出现全黑的情况。 在正交偏光镜下，光线在晶体截面上的振动方向平行或接近平行于AA和PP，会引起消光，因此形成两条平行于AA和PP的黑带。 （消光影），它们相互正交，形成一个黑色十字，即干涉图样。 如图1-4所示。 使用偏光显微镜观察聚合物球晶。 在一定条件下，球晶表现出更复杂的环状图案，即特征性的黑色交叉消光图像还与明暗消光均匀环重叠。 这可能是由于晶片的周期性扭曲造成的。 如图1-5所示。 图 1-4 聚乙烯球晶偏光显微镜照片 图 1-5 消光同心环聚乙烯球晶偏光显微镜照片 三、实验仪器及材料 偏光显微镜、熔化装置、结晶装置、镊子、载玻片、盖玻片、聚丙烯偏光显微镜等如图1-6所示。 图1-6 偏光显微镜结构图。 生物显微镜和偏光显微镜在光学原理和结构上基本相同，只是后者比前者多了一对偏光镜（偏光镜和检偏镜）。 因此，用偏光显微镜可以观察到具有双折射的各种现象。
一般偏光显微镜的结构如图1-6所示：图中目镜10和物镜8使物像得到放大倍数的乘积。 起偏器5和检偏器9由尼科尔棱镜或起偏器制成。 ，它们的作用是将普通光变成偏振光。 目前市场上销售的偏光显微镜上的分析器大多是固定的，不能旋转。 还有可以旋转0~180°的检偏器和起偏器，控制两束偏振光相互平行或垂直（正交）。 转台7为可水平360°旋转的圆形平台。 配备标尺偏光显微镜法观察聚合物球晶实验报告，可直接读取旋转角度。 工作台上的圆孔是光线的通道。 工作台上可放置显微镜加热台，研究聚合物结构在加热、冷却和恒温过程中的变化。 微调手轮4和粗调手轮3用于观察时调节焦点。 使用时注意先转动调节手轮，使微调处于中间位置，然后转动粗调手轮，使镜筒下降，使物镜靠近被测物。 然后，在观察样品的同时，慢慢抬起镜筒，直至物体图像清晰可见，然后左右旋转微调手轮，以获得物体最清晰的图像。 4.实验步骤（1）显微镜和相机准备准备【1】将物镜和目镜安装在显微镜上，打开照明电源，推入检偏器，将偏光镜角度调整至正交位置。 获得完全消光视场（视场尽可能暗，如果不方便观察，可取下显微镜目镜，旋转下面的偏光镜，直至达到最暗视场。此时，两个偏振器正好处于正交位置）。 [2]启动计算机并打开显微镜摄像头程序。
(2)聚合物球晶样品的制备与观察[1]将平加热台温度调节至230℃左右，将载玻片放在加热台上，将少量聚丙烯样品放在载玻片上，观察当样品熔化成液滴时，盖上盖玻片。 用镊子或重物小心地压成薄膜状，尽量不要有气泡，恒温5分钟。 转移到140°C的烤箱中融化10分钟，然后保温30分钟。 [2] 将含有样品的载玻片移至显微镜载物台。 拉出显微镜分析仪并调整样品的位置以允许光线通过。 调整焦距直至视野清晰，推入分析仪，观察结晶后球晶的形貌，无光泽的黑色十字和同心环现象，拍照并保存，选择照片上任意5个球晶，并使用软件求出晶体半径计算平均值。 [3] 重复步骤[1]和[2]，取出熔化并恒温的样品，放入80℃烘箱中偏光显微镜法观察聚合物球晶实验报告，冷却至20℃（室温），观察完成的结晶形态显微镜，并拍照记录。 计算半径并比较不同结晶温度下球晶形貌的差异。 5、实验结果及数据处理 [1] 偏光显微镜下观察到的球晶形貌如下： 显微镜下可见有许多紧密排列的球晶颗粒。 大多数球晶颗粒呈球形甚至多边形。 很明显有四个亮区和四个暗区，即出现“黑十字现象”。 球晶的直径可以使用相机软件测量。 当目镜为10倍、物镜为10倍时，相机图像上的一个小格子代表1μm的长度。 换算成200倍，相当于2个小格子代表1μm，其余以此类推。
球晶直径范围从几微米到几千微米。 [2]记录聚合物球晶样品的制备条件以及观察并保存的球晶形貌图和晶体半径。 [3] 试验分析说明聚丙烯结晶条件与晶体形貌的关系。 6、注意事项 【1】开关偏光显微镜电源时，务必先将亮度调节旋钮调至最小。 调节亮度按钮时，只需调节至需要的亮度即可。 一般不要调到最强状态。 [2] 偏光显微镜是一种精密光学仪器。 操作时必须非常小心。 请勿随意拆卸零件。 请勿用手触摸玻璃镜片或用硬物擦拭。 [3]将待观察的载玻片置于载物台中央，从侧面看镜头，先旋转微调手轮使其处于中间位置，然后转动粗调手轮至降低镜筒，使物镜靠近样品玻璃。 然后一边观察样品一边慢慢升起物镜筒，直至物体方向清晰可见，左右转动微调手轮，使物体图像最清晰。 观察时不要用粗调手轮向下调节，否则物镜可能会碰到载玻片的硬物，损坏镜头。 特别是在高倍率下，观察表面（样品表面），例如物镜只有0.2-0.5mm。 会损坏镜头。 [4]使用偏光显微镜下的热台时，温度不宜超过300℃，高温处理时间不宜过长。 7、问题[1]偏光显微镜观察聚合物球晶形貌的原理是什么？ [2] 生产过程中如何控制球晶形貌？ [3] 样品制备时应注意哪些方面？ [4] 结晶温度对球晶尺寸有何影响？ [5] 球晶的尺寸如何取决于结晶温度？ [6][7][8][9][10][11]a)b) 图1-1 自然光和线偏振光的振动现象 a) 自然光 b) 线偏振光
