《Mechanics of Solid Polymers》2.5.1-5.2 体积特性表征技术

摘要

本文介绍了两种体积表征技术：差示扫描量热法（DSC）和透射电子显微镜（TEM）。DSC用于分析聚合物中的热性转变，如玻璃转变温度、结晶和熔化，提供有关转变温度和热转变的定量信息。TEM则是一种高分辨率成像技术，适用于研究材料的微观结构，特别是聚合物中填料的形态。这两种技术为理解聚合物的体积性质提供了重要手段。

正文

2.5 体积表征技术

        有许多实验技术可用于研究聚合物的体积性质。这些体积表征技术通常与前一节讨论的表面表征技术非常不同。下面将讨论最常见的体积表征技术。

2.5.1 差示扫描量热法

        差示扫描量热法（DSC）是一种常用的技术，用于分析聚合物和其他材料中的热性转变。它提供有关转变发生的温度以及与事件相关的热转变的定量测量。所有经历物理状态变化（例如，重结晶或熔化）或发生化学反应的材料都会释放吸收的能量作为转变的一部分。差示扫描量热仪设计用于测量这些转变期间发生的焓变化。在实验设置中，测试样品和参考样品均以预定义的温度速率加热，并测量维持样品与惰性参考样品在相同温度下所需的差热流。典型的DSC运行结果如图2.56所示。在这个实验中，一个小样品（约10 mm³）以20°C/min的速率加热。图中显示了维持规定温度历史所需的输入热流。该图直接提供了关于玻璃转变温度（Tg）、与结晶相关的放热和与熔化相关的吸热的信息。DSC还可以用于研究机械变形和残余应力对热转变所需热流的影响。通过耦合机械测试和热预处理，可以探索控制局部重排的活化能的微观机制[34]。

图2.56 PEEK的DSC扫描图，显示了玻璃转变温度、结晶PEEK和熔化期间的吸热现象。这种方法可以提供有关必须在材料行为准确本构模型开发中考虑的过程的宝贵信息。

2.5.2 透射电子显微镜

透射电子显微镜（TEM）是一种强大的技术，可以产生比扫描电子显微镜（SEM）更高的放大倍数。TEM的主要限制之一是测试样品必须是如此薄的箔片，以至于电子束可以穿过它。此外，样品必须能够承受TEM仪器内部的高真空。由于这些要求，大多数用TEM研究的材料是无机的、非生物材料。TEM广泛应用于材料科学和冶金学，用于研究诸如金属和半导体等晶体材料，但也非常适用于聚合物中填料形态的研究。在图2.57中展示了一个示例，展示了一个填充了7% N600碳黑（CB）的氯丁橡胶（CR），图中的黑色 区域是碳黑颗粒。显微图显示，这些颗粒呈球形，直径为20纳米，并且碳黑颗粒有聚集成较大团聚体的倾向。透射电子显微镜（TEM）图像中的对比度与光学显微镜图像中的对比度不同。晶体材料主要通过衍射而不是吸收与电子束相互作用。如果晶体中的原子平面与电子束呈一定角度对齐，则电子束会被强烈地传输；而在其他角度，电子束会被衍射，将电子发送到另一个方向。在TEM中，标本架允许用户将标本旋转到任何角度，以建立所需的衍射条件。在最强大的衍射对比TEM仪器中，可以产生直接类比于晶体中原子平面的衍射图案图像。尽管这些原子分辨率图像中的对比度产生的方式是复杂的，并且这些图像通常使用电子束和磁透镜的计算机建模进行解释，但这些图像为晶态聚合物材料的研究增添了新的理解层次。

图2.57 碳黑体积分数7%的CR透射电子显微镜图像