聚合物材料取向度的測試方法簡述
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摘 要：本文介紹了聚合物材料取向度的測試方法，包括：雙折射法、紅外光譜法、廣角X-射線衍射法、聲波傳播法等常用方法及其他幾種的不常用的方法。
關鍵詞：取向度;雙折射;紅外光譜;廣角X-射線衍射;聲波傳播
取向度是聚合物材料中分子鏈沿特定方向排列的程度，一般用取向函數F表示：
F=1/2（3cos2θ-1）
在定義取向函數時，通常選一特定方向作參考方向，分子鏈軸與參考方向的夾角為取向角θ。對于實際的聚合物，θ不是定值，而是有一定的分布，取向函數方程中的θ采用實際取向角的平均值。
聚合物材料在加工成型過程中，大分子鏈或鏈段、微晶必然會表現出不同程度的取向，對材料的物理性能及使用性能均有較大的影響，研究聚合物取向度及取向過程具有較大的實際意義及實用價值。本文對聚合物取向度的測試方法進行了簡要的綜述，主要包括雙折射法、紅外光譜法、廣角X-射線衍射法、聲波傳播法等常用方法及拉曼光譜法、偏振熒光法、核磁共振光譜法等不常用方法。
1 雙折射法
光波在取向聚合物材料中傳播時，平行于取向方向的折射率（n∥）和垂直于取向方向的折射率（n⊥）不同，從而產生雙折射現象。通常直接用兩者折射率之差Δn作為衡量取向度的指標：
Δn=n∥-n⊥
該方法測得的Δn與取向度F之間存在線性關系，由相關試驗可以找到這種關系，Δn在必要時可以換算成取向度F。測定聚合物雙折射的方法很多，常用的有油浸法和光程差法，該方法測得的是晶區與非晶區取向的總效果，反映的是小尺寸的鏈段取向。
2 紅外光譜法
在紅外光譜儀的測量光路中加入一偏振器，可得到聚合物材料的偏振紅外光譜，利用偏振紅外光譜圖可以分析聚合物材料的取向度。分別測出偏振光的電矢量方向與試樣某一特定方向平行或垂直時某一譜帶的吸光度（A∥和A⊥），則兩者比值即為譜帶的二向色性比（D），由此可計算試樣在該特定方向上的取向函數（F），兩者均可反映試樣在該特定方向上取向度的大小。
紅外二向色性法可根據表示不同相的不同譜帶，同時在一張譜圖上分別測出晶區取向、非晶區取向及平均取向。根據所選擇的紅外光譜譜帶是側基還是主鏈的基團，還可以區分主鏈和側基的取向，該方法可以獲得廣泛的取向參數。吳貴芬等報道了用紅外二向色性測定高聚物取向度的方法。
3 廣角X射線衍射法（WAXS）
無規取向的晶態聚合物的X射線衍射圖是一些封閉的同心環（Debye環），拉伸取向的晶態聚合物衍射圖上的圓環退化為圓弧，當聚合物取向度增加時，衍射圓弧逐漸縮短，最后成為衍射點。廣角X射線衍射法是根據衍射圖隨取向度變化的事實，以圓弧的長度的倒數作為微晶取向度的量度。
用廣角X射線衍射儀獲取樣品的衍射圖，取赤道線上的Debye環的強度分布曲線的半高寬，計算樣品中高分子鏈及微晶的取向度：
П=（1800-H0）/1800*100%
式中，П為高分子鏈及微晶沿拉伸方向的取向度，H0為赤道線上Debye環強度分布曲線的半高寬。П值沒有明確物理意義，只能做相對比較的參考數據。該方法僅能測晶區取向，無法得到非晶區取向及平均取向。張宏放等介紹了X射線衍射法測定聚合物取向度的原理和方法。
4 聲波傳播法
利用聲波在取向聚合物和未取向聚合物中傳播速度有差別的原理，通過測試待測試樣的聲速Co和無規取向樣品的聲速Cu，用下式可計算取向程度：
F=1–（Cu/Co）2
聲波傳播法測得的是晶區和非晶區的平均取向。由于聲波的波長較長，這種方法測得的取向參數反映的是整個分子鏈的取向情況。謝云等對超聲波離線及在線測定聚合物材料的研究進展進行了總結。
5 其他方法
除上述方法外，拉曼光譜、偏振熒光光譜、核磁共振光譜、小角X射線散射、小角中子散射、小角光散射等方法也可用于聚合物材料取向度的測定。其中，拉曼光譜可得到晶區和非晶區分子取向，還可得到取向分布函數的二階矩和四階矩，但其測試及計算方法更加復雜;偏振熒光光譜可用于測聚合物熔體、薄膜和纖維的取向，亦可得到取向分布函數的二階矩和四階矩，但對于無熒光活性的聚合物，測試前需加入一定量熒光染料，且其僅能測得非晶區的取向;核磁共振光譜可用于測定特定原子的取向，可得到聚合物材料中晶區、非晶區的取向度，可得到取向分布函數的二階矩、四階矩、六階矩、八階矩，但其理論及計算方法更加復雜;小角X射線散射可測晶區的取向度，可測得取向分布函數的所有階矩，但難以確定背景強度，難以消除非晶區的影響;小角中子散射可測聚合物材料非晶區的取向，可得到取向分布函數的二階矩，但需要氘代樣品，且可用的測試設備有限;小角光散射可測晶區取向，可進行定量分析，但不能測取向分布函數的任何階矩。
參考文獻：
[1]宿來鵬，陳桂蘭.雙折射法測定聚乙烯單絲取向度的研究[J].中國塑料，1988（4）：17-20.
[2]馮開才等.高分子物理實驗[M].北京：化學工業出版社，2004.
[3]張宏放，莫志深.X射線衍射法測定聚合物材料取向[J].高分子材料科學與工程，1991（6）.
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