小于幾微米的球晶可以用電子顯微鏡觀察或使用激光小角散射進行研究。 結晶聚合物材料及制品的實際性能（如光學透明度、沖擊強度等）與材料內部的晶型、晶粒尺寸和完善程度密切相關。 例如，較小的球晶可以提高材料的沖擊強度和斷裂伸長率； 球晶的大小對聚合物材料的透明度有更顯著的影響：聚合物晶體區域的折射率大于非晶區域，球晶的存在會產生光的散射，降低透明度。 球晶越小，透明度越高。 當球晶的尺寸小到與光的波長相當時，可以獲得透明材料。 因此，研究聚合物晶體形貌和尺寸具有重要的理論和實際意義。 球晶的生長以晶核為中心。 從初級晶核生長的片晶在晶體缺陷點處蓬勃發展并分支，形成新的片晶。 它們在生長過程中彎曲和扭曲，并進一步分支形成新的薄片。 ，依此類推，最終形成以晶核為中心，三維向外發散的球形晶體。 實驗證實，球晶中的分子鏈垂直于球晶的徑向。 圖1 球晶生長示意圖 (b) 球晶生長 (c) 生長的球體 晶體偏光顯微鏡的最佳分辨率為200nm，有效放大倍數超過500-1000倍。 與電子顯微鏡和X射線衍射結合可以提供更全面的晶體結構信息。 光是一種電磁波，即橫波，其傳播方向與振動方向垂直。
但對于自然光來說，它的振動方向是均勻分布的，沒有一個方向占主導地位。 但通過反射、折射或選擇性吸收，可以將自然光轉化為只沿一個方向振動的光波，即偏振光（如圖1-1所示，箭頭表示振動方向，傳播方向垂直于紙張）。 圖 1-2 共聚聚丙烯在 145oC 時的球晶照片。 使用偏光顯微鏡觀察球晶結構是基于聚合物晶體的雙折射性質。 當一束光進入各向同性均勻介質時，光速不隨傳播方向變化，因此在各個方向上具有相同的折射率。 對于各向異性晶體，它們的光學性質隨方向而變化。 當光通過它時，會分解成兩束振動面互相垂直的光束。 它們的傳播速度除光軸方向外一般不相等，因此產生兩束折射率不同的光線。 這種現象稱為雙折射。 晶體的所有化學性質都與雙折射有關。 在正交偏光顯微鏡下觀察，聚合物處于熔融狀態時，呈各向同性，不發生雙折射。 光線被交叉偏光鏡阻擋，視野變暗。 球晶會呈現出獨特的黑色交叉消光現象。 黑色十字的兩個臂平行于兩個偏振軸的方向。 除了偏光片的振動方向外，其余的光都是由于折射而出現的。 聚合物冷卻并從熔體中結晶后，成為光學各向異性體。 當晶體的振動方向與上下偏光片的振動方向不一致時，視野明亮，可以觀察到晶體。 圖1-2是共聚物聚合物。 145oC 時丙烯酸球晶的照片。
下面用數學知識簡單解釋一下原因，見圖1-3。 圖中，PP表示起偏器的振動方向，AA表示檢偏器的振動方向，NN和MM是晶體中某一平面內的兩個振動方向。 圖1-3 從圖中可以看出，晶體截面內的振動方向與偏光片的振動方向不一致。 設N振動方向與偏振器振動方向PP之間的角度為α。 光線首先進入偏光片，從偏光片透過的平面偏振光的振幅為OB。 光線繼續照射芯片。 由于截面中的兩個振動方向與PP方向不一致，因此必須將其分解為晶體的兩個振動。 平面內，N方向的光的振幅為OD，M方向的光的振幅為OE。 從晶圓發射的兩束平面偏振光繼續照射到分析儀上。 由于分析儀的振動方向與晶面內的振動方向不一致，因此必須將每個平面偏振光一分為二，即OD振幅光分解為OF和DF振幅光，OE振幅光分解分為 EG 和 OG 振幅光。 振幅為DF和EG的光由于其振動方向垂直于檢偏器的振動平面而無法透過，而振幅為OG和OF的光則位于檢偏器的振動平面內，因此可以透過。 當兩個光波在同一平面內振動時，必然會發生干涉。 它們的合成波為： Y=OF-OG=ODsinα-OEcosα (1) OD=OBcosαOB=Asinωt 又由于芯片內N、M方向振動的兩路光波速度不相等，折射率為也不同，設相位差為δ，則： OD=OBcosα (2) OE=OBsinα=Asin(ωt-δ)sinα (3) 將(2)和(3)代入(1)整理得： Y= Asin2α?(ωt-) (4) 由于合成光的強度與合成光振幅的平方成正比，由式(4)可得： I=α?sin2 其中A為入射光光振幅，a是芯片內振動方向與偏光片振動方向之間的夾角。 旋轉載物臺可以改變a。 當a=p/4、3p/4、5p/4、7p/5...時，光線強度最大，視力最高。
如果晶體截面中的兩個振動方向與上下偏光片的振動方向成45°，則此時晶體的亮度最大。 當a=0、p/2、3p/2…、I=0時，視野為全視場。 黑色，如果晶體截面內的振動方向與起偏器（或檢偏器）的振動方向平行，即a=0，則晶體全黑。 當晶體的軸與偏光片的振動方向一致時，也會出現全黑的情況。 在正交偏光鏡下，光線在晶體截面上的振動方向平行或接近平行于AA和PP，會引起消光，因此形成兩條平行于AA和PP的黑帶。 （消光影），它們相互正交，形成一個黑色十字，即干涉圖樣。 如圖1-4所示。 使用偏光顯微鏡觀察聚合物球晶。 在一定條件下，球晶表現出更復雜的環狀圖案，即特征性的黑色交叉消光圖像還與明暗消光均勻環重疊。 這可能是由于晶片的周期性扭曲造成的。 如圖1-5所示。 圖 1-4 聚乙烯球晶偏光顯微鏡照片 圖 1-5 消光同心環聚乙烯球晶偏光顯微鏡照片 三、實驗儀器及材料 偏光顯微鏡、熔化裝置、結晶裝置、鑷子、載玻片、蓋玻片、聚丙烯偏光顯微鏡等如圖1-6所示。 圖1-6 偏光顯微鏡結構圖。 生物顯微鏡和偏光顯微鏡在光學原理和結構上基本相同，只是后者比前者多了一對偏光鏡（偏光鏡和檢偏鏡）。 因此，用偏光顯微鏡可以觀察到具有雙折射的各種現象。
一般偏光顯微鏡的結構如圖1-6所示：圖中目鏡10和物鏡8使物像得到放大倍數的乘積。 起偏器5和檢偏器9由尼科爾棱鏡或起偏器制成。 ，它們的作用是將普通光變成偏振光。 目前市場上銷售的偏光顯微鏡上的分析器大多是固定的，不能旋轉。 還有可以旋轉0~180°的檢偏器和起偏器，控制兩束偏振光相互平行或垂直（正交）。 轉臺7為可水平360°旋轉的圓形平臺。 配備標尺偏光顯微鏡法觀察聚合物球晶實驗報告，可直接讀取旋轉角度。 工作臺上的圓孔是光線的通道。 工作臺上可放置顯微鏡加熱臺，研究聚合物結構在加熱、冷卻和恒溫過程中的變化。 微調手輪4和粗調手輪3用于觀察時調節焦點。 使用時注意先轉動調節手輪，使微調處于中間位置，然后轉動粗調手輪，使鏡筒下降，使物鏡靠近被測物。 然后，在觀察樣品的同時，慢慢抬起鏡筒，直至物體圖像清晰可見，然后左右旋轉微調手輪，以獲得物體最清晰的圖像。 4.實驗步驟（1）顯微鏡和相機準備準備【1】將物鏡和目鏡安裝在顯微鏡上，打開照明電源，推入檢偏器，將偏光鏡角度調整至正交位置。 獲得完全消光視場（視場盡可能暗，如果不方便觀察，可取下顯微鏡目鏡，旋轉下面的偏光鏡，直至達到最暗視場。此時，兩個偏振器正好處于正交位置）。 [2]啟動計算機并打開顯微鏡攝像頭程序。
(2)聚合物球晶樣品的制備與觀察[1]將平加熱臺溫度調節至230℃左右，將載玻片放在加熱臺上，將少量聚丙烯樣品放在載玻片上，觀察當樣品熔化成液滴時，蓋上蓋玻片。 用鑷子或重物小心地壓成薄膜狀，盡量不要有氣泡，恒溫5分鐘。 轉移到140°C的烤箱中融化10分鐘，然后保溫30分鐘。 [2] 將含有樣品的載玻片移至顯微鏡載物臺。 拉出顯微鏡分析儀并調整樣品的位置以允許光線通過。 調整焦距直至視野清晰，推入分析儀，觀察結晶后球晶的形貌，無光澤的黑色十字和同心環現象，拍照并保存，選擇照片上任意5個球晶，并使用軟件求出晶體半徑計算平均值。 [3] 重復步驟[1]和[2]，取出熔化并恒溫的樣品，放入80℃烘箱中偏光顯微鏡法觀察聚合物球晶實驗報告，冷卻至20℃（室溫），觀察完成的結晶形態顯微鏡，并拍照記錄。 計算半徑并比較不同結晶溫度下球晶形貌的差異。 5、實驗結果及數據處理 [1] 偏光顯微鏡下觀察到的球晶形貌如下： 顯微鏡下可見有許多緊密排列的球晶顆粒。 大多數球晶顆粒呈球形甚至多邊形。 很明顯有四個亮區和四個暗區，即出現“黑十字現象”。 球晶的直徑可以使用相機軟件測量。 當目鏡為10倍、物鏡為10倍時，相機圖像上的一個小格子代表1μm的長度。 換算成200倍，相當于2個小格子代表1μm，其余以此類推。
球晶直徑范圍從幾微米到幾千微米。 [2]記錄聚合物球晶樣品的制備條件以及觀察并保存的球晶形貌圖和晶體半徑。 [3] 試驗分析說明聚丙烯結晶條件與晶體形貌的關系。 6、注意事項 【1】開關偏光顯微鏡電源時，務必先將亮度調節旋鈕調至最小。 調節亮度按鈕時，只需調節至需要的亮度即可。 一般不要調到最強狀態。 [2] 偏光顯微鏡是一種精密光學儀器。 操作時必須非常小心。 請勿隨意拆卸零件。 請勿用手觸摸玻璃鏡片或用硬物擦拭。 [3]將待觀察的載玻片置于載物臺中央，從側面看鏡頭，先旋轉微調手輪使其處于中間位置，然后轉動粗調手輪至降低鏡筒，使物鏡靠近樣品玻璃。 然后一邊觀察樣品一邊慢慢升起物鏡筒，直至物體方向清晰可見，左右轉動微調手輪，使物體圖像最清晰。 觀察時不要用粗調手輪向下調節，否則物鏡可能會碰到載玻片的硬物，損壞鏡頭。 特別是在高倍率下，觀察表面（樣品表面），例如物鏡只有0.2-0.5mm。 會損壞鏡頭。 [4]使用偏光顯微鏡下的熱臺時，溫度不宜超過300℃，高溫處理時間不宜過長。 7、問題[1]偏光顯微鏡觀察聚合物球晶形貌的原理是什么？ [2] 生產過程中如何控制球晶形貌？ [3] 樣品制備時應注意哪些方面？ [4] 結晶溫度對球晶尺寸有何影響？ [5] 球晶的尺寸如何取決于結晶溫度？ [6][7][8][9][10][11]a)b) 圖1-1 自然光和線偏振光的振動現象 a) 自然光 b) 線偏振光
