实验四　光学双折射法测定合成纤维的取向度

取向是指在外场（力场、电场、磁场等）作用下，材料结构单元沿外场方向作比较规整的排列的过程。取向形成的凝聚态结构称为取向态。对于聚合物而言，其取向结构单元可以是链段、分子链或晶区（晶片、球晶或晶粒）。取向后，聚合物的性能（力学性质、光学性质、热性能等）明显表现出各向异性，即在取向方向以及垂直于取向的方向上，聚合物的性能有很大不同。

聚合物的取向现象主要有单轴取向和双轴取向。单轴取向最典型的应用就是合成纤维的拉伸处理。一般在合成纤维纺丝过程中，从喷丝孔喷出的丝要拉伸若干倍，使高分子链沿拉伸方向高度取向，从而提高纤维的强度。单轴取向的薄膜主要是撕裂薄膜，用于捆扎，其他大多数的薄膜都是双轴取向。双轴取向或使分子链在薄膜平面方向上任意排列，各向同性且实际强度比未取向强度要高，比如战斗机机舱盖、安全帽以及中空塑料制品都是双轴取向。本实验主要研究纤维的单轴取向。

一、实验目的与要求

1.了解取向工艺在纤维加工过程中的重要性。

2.掌握测定纤维取向度的原理及方法。

二、实验原理

取向是外场作用使得高分子链沿外场方向择优排列，但并不意味着所有高分子链完全都沿外场方向排列，需要引入取向度的概念来描述其取向程度。取向度是取向材料结构特点的重要指标之一，其大小对聚合物的性能有非常显著的影响。

一般采用取向函数f来表示取向度。

式中，θ是分子链主轴与外场方向的夹角。如果是理想的单轴取向，θ=0°，，则取向函数f=1。如果是完全无规，f=0，，。

利用取向前后聚合物性能的显著变化，可以测定聚合物的取向度，常见方法包括光学双折射法、声速法、红外二色性法、X射线衍射法、偏振荧光法等。本实验采用光学双折射法测定合成纤维的取向度。

在取向纤维中，平行于和垂直于纤维轴的两个方向上原子的排列和相互作用情况大不相同，极化率不同，因此折射率也不相同。设纤维轴向的折射率为n‖，垂直于纤维轴方向的折射率为n⊥，定义双折射率Δn为这两个相互垂直方向上的折射率之差，即

Δn=n‖-n⊥　　（1-9）

双折射取向因子可表示为：

式中，Δnmax表示完全取向时的双折射率，为完全取向时纤维轴向的折射率与垂直于纤维轴方向的折射率之差。由于完全取向试样难以得到，通常直接将取向纤维的双折射率Δn作为衡量取向度大小的指标。

需要指出的是，由于物质的折射率与其分子的价电子在光波电场中的极化率有关，而各种聚合物所含原子基团不同，所产生的极化率也不同，因此不能仅用双折射率Δn来比较不同聚合物的取向度，Δn只限于用以评价同一种聚合物不同试样的取向程度。

测定双折射率的方法较多，常用的有浸油法和光程差法。

1.浸油法

根据式（1-9），只要分别测定n‖、n⊥，即可计算出Δn。固体的折射率不容易直接测定，可采用浸油法间接测定。

配备一套折射率已知的液体，把纤维浸入液体介质中，如果纤维和液体的折射率相等，在偏光显微镜下观测不到它们之间的界线，好像纤维“溶解”在液体里一样。如果纤维与液体的折射率不等，则可观察到纤维与液体的界面有一条明亮的光带，即贝克线。如果纤维的折射率大于浸油，光线通过纤维的边缘时，向纤维一侧倾斜，自纤维边缘倾斜的光线和通过纤维中部未发生倾斜的光线，在纤维上部相交，使纤维边缘靠近纤维（折射率大的）一侧的光增强了，而纤维本身光却变弱了，因此显微镜下可以清楚地看到纤维的黑暗边缘以及一条亮线。当提高镜筒时，亮线向折射率较大的纤维方向移动，反之，亮线向相反方向移动。也就是说，不管哪种介质的折射率高，提高镜筒时，贝克线总是向折射率高的介质移动，依此可很容易地判断纤维与浸油折射率的相对大小。

利用此特点，我们可以快速找到折射率与纤维相同的浸油，即分别找到与纤维n‖、n⊥相同的浸油，该浸油的折射率即为纤维的折射率。

浸油的折射率可用阿贝尔折射仪测定，阿贝尔折射仪是通过测定全反射临界角来计算折射率的。设n1、n2分别为两种介质的折射率，θ1、θ2分别是入射角和折射角。根据斯涅尔折射定律，n1sinθ1=n2sinθ2，当n2<n1时，θ2>θ1。当入射角增加至某一数值时，θ2=90°，此时

当入射角θ1>θc时，折射线消失，光线全部反射，这种现象称为全反射，θc称为全反射临界角。若n1已知，测定θc后，可计算待测样品的折射率n2，即

n2=n1sinθc　　（1-12）

实际测量中，阿贝尔折射仪已将全反射临界角的值通过连动装置转换成了待测样品的折射率，可以直接读数。

2.光程差法

光在媒质中的传播速率与折射率有关，因此在纤维轴向上的光速与垂直于轴向的光速是不相同的。纤维轴向上的极化率大，折射率n‖也大，光速v‖则较慢；垂直于纤维轴方向上极化率小，折射率n⊥也小，光速v⊥则较快。因此振动面平行于纤维轴的偏振光与振动面垂直于纤维轴方向的偏振光通过纤维的时间t‖、t⊥也不相同。

设纤维厚度为d，则t‖=d/v‖，t⊥=d/v⊥，且t‖>t⊥。当后一束偏振光透出纤维时，前一束偏振光仍在纤维中，因此后一束光比前一束光在空气中多传播的距离就相当于两束光的光程差R，故有

式中，v0为光在空气中的传播速率。由此可得

根据式（1-14），只要测定光程差R和纤维的厚度d就可计算双折射率Δn。

本实验采用浸油法测定纤维的双折射率。

三、实验仪器与试样

（1）仪器：BX51型偏光显微镜（同实验一），阿贝尔折射仪；浸油一套（折射率在1.40～1.75之间），载玻片，盖玻片。

（2）试样：合成纤维。

四、实验步骤

1.显微镜的调节与使用

偏光显微镜的调节与使用参见实验一。本实验中需要校正起偏镜的振动方向，具体方法如下。

在确定起偏镜与检偏镜特征方向处于正交位置后，将一段合成纤维单丝放在载玻片上，压上盖玻片，放置在载物台中央，选择合适的放大倍数观察纤维。如果视场黑暗，表明起偏镜、检偏镜特征方向分别与目镜十字线方向一致。如果视场黑暗而纤维明亮，或者视场和纤维都明亮，表明起偏镜和检偏镜特征方向与十字线方向不一致，需要校正，使起偏镜的振动方向与十字线中的一个方向平行，这样才能确定纤维轴是与起偏镜振动方向平行还是垂直，从而确定得到的值是n‖还是n⊥。

2.n‖的测定

在纤维上滴上浸油，推开检偏镜（只用起偏镜），先在纤维轴方向上观察。上下移动镜筒，观测贝克线的移动方向，鉴定纤维折射率与浸油折射率的相对大小，选择合适的浸油。当在显微镜下看不清贝克线时，说明两者的折射率已经相当接近，要小心观测。选择出两个相邻号码的浸油（折射率相差在0.003～0.005之间），其中一种浸油的折射率比纤维大，一种比纤维折射率小，取其平均值作为纤维的折射率。

3.n⊥的测定

把载物台旋转90°，测定另一方向上纤维的折射率，方法同上。

4.用阿贝尔折射仪测定所选的4种浸油的折射率

五、数据处理

分别计算n‖和n⊥，按式（1-9）计算纤维的双折射率。

六、思考题

1.实际应用中如何稳定聚合物的取向结构？

2.如何使纤维既有较高的强度又具有较好的弹性？

3.双折射取向因子反映了哪种结构单元的取向？