聚合物材料取向度的测试方法简述
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摘 要：本文介绍了聚合物材料取向度的测试方法，包括：双折射法、红外光谱法、广角X-射线衍射法、声波传播法等常用方法及其他几种的不常用的方法。
关键词：取向度;双折射;红外光谱;广角X-射线衍射;声波传播
取向度是聚合物材料中分子链沿特定方向排列的程度，一般用取向函数F表示：
F=1/2（3cos2θ-1）
在定义取向函数时，通常选一特定方向作参考方向，分子链轴与参考方向的夹角为取向角θ。对于实际的聚合物，θ不是定值，而是有一定的分布，取向函数方程中的θ采用实际取向角的平均值。
聚合物材料在加工成型过程中，大分子链或链段、微晶必然会表现出不同程度的取向，对材料的物理性能及使用性能均有较大的影响，研究聚合物取向度及取向过程具有较大的实际意义及实用价值。本文对聚合物取向度的测试方法进行了简要的综述，主要包括双折射法、红外光谱法、广角X-射线衍射法、声波传播法等常用方法及拉曼光谱法、偏振荧光法、核磁共振光谱法等不常用方法。
1 双折射法
光波在取向聚合物材料中传播时，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，从而产生双折射现象。通常直接用两者折射率之差Δn作为衡量取向度的指标：
Δn=n∥-n⊥
该方法测得的Δn与取向度F之间存在线性关系，由相关试验可以找到这种关系，Δn在必要时可以换算成取向度F。测定聚合物双折射的方法很多，常用的有油浸法和光程差法，该方法测得的是晶区与非晶区取向的总效果，反映的是小尺寸的链段取向。
2 红外光谱法
在红外光谱仪的测量光路中加入一偏振器，可得到聚合物材料的偏振红外光谱，利用偏振红外光谱图可以分析聚合物材料的取向度。分别测出偏振光的电矢量方向与试样某一特定方向平行或垂直时某一谱带的吸光度（A∥和A⊥），则两者比值即为谱带的二向色性比（D），由此可计算试样在该特定方向上的取向函数（F），两者均可反映试样在该特定方向上取向度的大小。
红外二向色性法可根据表示不同相的不同谱带，同时在一张谱图上分别测出晶区取向、非晶区取向及平均取向。根据所选择的红外光谱谱带是侧基还是主链的基团，还可以区分主链和侧基的取向，该方法可以获得广泛的取向參数。吴贵芬等报道了用红外二向色性测定高聚物取向度的方法。
3 广角X射线衍射法（WAXS）
无规取向的晶态聚合物的X射线衍射图是一些封闭的同心环（Debye环），拉伸取向的晶态聚合物衍射图上的圆环退化为圆弧，当聚合物取向度增加时，衍射圆弧逐渐缩短，最后成为衍射点。广角X射线衍射法是根据衍射图随取向度变化的事实，以圆弧的长度的倒数作为微晶取向度的量度。
用广角X射线衍射仪获取样品的衍射图，取赤道线上的Debye环的强度分布曲线的半高宽，计算样品中高分子链及微晶的取向度：
П=（1800-H0）/1800*100%
式中，П为高分子链及微晶沿拉伸方向的取向度，H0为赤道线上Debye环强度分布曲线的半高宽。П值没有明确物理意义，只能做相对比较的参考数据。该方法仅能测晶区取向，无法得到非晶区取向及平均取向。张宏放等介绍了X射线衍射法测定聚合物取向度的原理和方法。
4 声波传播法
利用声波在取向聚合物和未取向聚合物中传播速度有差别的原理，通过测试待测试样的声速Co和无规取向样品的声速Cu，用下式可计算取向程度：
F=1–（Cu/Co）2
声波传播法测得的是晶区和非晶区的平均取向。由于声波的波长较长，这种方法测得的取向参数反映的是整个分子链的取向情况。谢云等对超声波离线及在线测定聚合物材料的研究进展进行了总结。
5 其他方法
除上述方法外，拉曼光谱、偏振荧光光谱、核磁共振光谱、小角X射线散射、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测定。其中，拉曼光谱可得到晶区和非晶区分子取向，还可得到取向分布函数的二阶矩和四阶矩，但其测试及计算方法更加复杂;偏振荧光光谱可用于测聚合物熔体、薄膜和纤维的取向，亦可得到取向分布函数的二阶矩和四阶矩，但对于无荧光活性的聚合物，测试前需加入一定量荧光染料，且其仅能测得非晶区的取向;核磁共振光谱可用于测定特定原子的取向，可得到聚合物材料中晶区、非晶区的取向度，可得到取向分布函数的二阶矩、四阶矩、六阶矩、八阶矩，但其理论及计算方法更加复杂;小角X射线散射可测晶区的取向度，可测得取向分布函数的所有阶矩，但难以确定背景强度，难以消除非晶区的影响;小角中子散射可测聚合物材料非晶区的取向，可得到取向分布函数的二阶矩，但需要氘代样品，且可用的测试设备有限;小角光散射可测晶区取向，可进行定量分析，但不能测取向分布函数的任何阶矩。
参考文献：
[1]宿来鹏，陈桂兰.双折射法测定聚乙烯单丝取向度的研究[J].中国塑料，1988（4）：17-20.
[2]冯开才等.高分子物理实验[M].北京：化学工业出版社，2004.
[3]张宏放，莫志深.X射线衍射法测定聚合物材料取向[J].高分子材料科学与工程，1991（6）.
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