引言

聚合物是由重復(fù)基團(tuán)長(zhǎng)鏈組成的大分子。聚合物的組成、結(jié)構(gòu)和形式?jīng)Q定了它的性能，因此這些參數(shù)的正確表征至關(guān)重要。 聚合物通常被合成為纖維、片材和其它固體形態(tài)。 這些類型的聚合物特性受其結(jié)晶度、晶體結(jié)構(gòu)和取向等結(jié)構(gòu)參數(shù)影響很大，可以使用 X 射線衍射 (XRD) 研究這些結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文介紹了XRD在聚合物結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用。

聚合物常規(guī)X射線衍射

常規(guī)的X射線常常用來表征聚合物的結(jié)晶度或是物相等信息。聚合物的結(jié)晶度是與其物理性質(zhì)有很大關(guān)系的結(jié)構(gòu)參數(shù)。有時(shí)，可以通過評(píng)估結(jié)晶度來確定剛度不足，裂紋，發(fā)白和其他缺陷的原因。通常，測(cè)量結(jié)晶度的方法包括密度，熱分析，NMR、IR以及XRD方法。這里將給出通過X射線衍射技術(shù)加全譜擬合法測(cè)定結(jié)晶度的方法的說明以及實(shí)例。對(duì)于含有非晶態(tài)的聚合物，其散射信號(hào)來源于兩部分：晶態(tài)的衍射峰和非晶態(tài)漫散峰。那么結(jié)晶度DOC則定義為晶態(tài)衍射峰面積與總散射信號(hào)面積的比值（圖1）：

圖2 中展示了PP-聚丙烯XRD圖譜以及利用全譜擬合方法分離晶態(tài)峰和非晶峰計(jì)算結(jié)晶度的結(jié)果。

圖2 無取向PP樣品結(jié)晶度XRD圖譜及全譜擬合結(jié)果。藍(lán)色：測(cè)試數(shù)據(jù)；紅色：擬合值。

聚合物2D/X射線衍射

對(duì)于聚合物材料，會(huì)被加成成纖維、片材、或其它形狀。而加工方式或處理工藝的不同，導(dǎo)致其結(jié)晶狀態(tài)、取向會(huì)有很大的不同。常規(guī)X射線衍射測(cè)試無法表征其全部的結(jié)構(gòu)特征。使用 2D 探測(cè)器 (XRD ) 的透射模式可以直觀且全部的獲得聚合物材料的結(jié)構(gòu)信息。下文利用布魯克D8 DISCOVER 二維X射線衍射儀測(cè)試了不同狀態(tài)的PP樣品，全部展示了二維衍射在聚合物分析中的優(yōu)勢(shì)。

圖3 PP樣品的二維X射線圖譜（左） PP1#-非晶態(tài)（中）PP2#-無取向半晶態(tài)（晶態(tài)和非晶態(tài)共存）（右） PP3#-高度取向的半晶態(tài)

從以上三張2D XRD圖譜（德拜環(huán)）可以很直觀的看出三種PP樣品的結(jié)晶狀態(tài)以及取向情況。

PP2#樣品的結(jié)晶度：

對(duì)于無取向的PP2#樣品，二維衍射圖譜與常規(guī)衍射計(jì)算結(jié)晶度無太大區(qū)別。由于探測(cè)器維度的限制，一維圖譜相當(dāng)于二位圖譜中某一區(qū)域的γ方向的積分?jǐn)?shù)據(jù)。從圖4中可知，不論是任意部分積分結(jié)果還是全范圍積分結(jié)果的均是相同的，也與圖2 相同。這說明，對(duì)于無取向樣品，不論是二維圖譜還是常規(guī)衍射得到的一維圖譜是沒有差別的，計(jì)算的結(jié)晶度也是相同的。

圖4 PP2二維圖譜積分轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S圖譜 （a）、（b）、（c）為部分區(qū)域積分結(jié)果，（d）全范圍積分結(jié)果

PP3#樣品的結(jié)晶度：

對(duì)于高度取向的PP3#樣品，在二維圖譜的不同區(qū)域獲得的一維衍射數(shù)據(jù)會(huì)有很大的不同，通過一維衍射圖譜和得到的結(jié)晶度也會(huì)有差異，無法表達(dá)樣品的真正結(jié)晶度。只有360度全范圍積分的一維圖譜才能真正用于結(jié)晶度的計(jì)算。通過以上兩個(gè)樣品的分析，我們可以了解到，對(duì)于高度取向的聚合物樣品，常規(guī)衍射儀得到的一維衍射圖譜由于取向的影響，不能表達(dá)整個(gè)樣品的衍射強(qiáng)度信息，所得到的結(jié)晶度是不對(duì)的。而二維衍射儀得到的二維圖譜，不僅可以直觀觀察樣品的取向，同時(shí)可以得到完整的衍射強(qiáng)度，進(jìn)而計(jì)算準(zhǔn)確的結(jié)晶度。

圖5 PP3二維圖譜積分轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S圖譜 （a）、（b）、（c）為部分區(qū)域積分結(jié)果，（d）全范圍積分結(jié)

取向分析 

PP3#樣品的(040)峰在二維圖譜中只存在與上下兩個(gè)方向。對(duì)樣品的(040)峰做2theta積分，可得到（040）峰強(qiáng)度的方位圖（圖6），利用方位圖峰的半高寬可進(jìn)一步計(jì)算取向度。 

圖6 PP3#樣品（040）峰強(qiáng)度隨方位角分布圖

總 之，X 射 線 衍 射 是 分 析 聚 合 物 結(jié) 構(gòu) 的 有 力 工 具 之 一，特 別 是 二 維 X 射 線 衍 射 能 夠 更 加 全 面 直 觀 的 分 析 聚 合 物結(jié)構(gòu)信息。