實驗四　光學雙折射法測定合成纖維的取向度

取向是指在外場（力場、電場、磁場等）作用下，材料結構單元沿外場方向作比較規整的排列的過程。取向形成的凝聚態結構稱為取向態。對于聚合物而言，其取向結構單元可以是鏈段、分子鏈或晶區（晶片、球晶或晶粒）。取向后，聚合物的性能（力學性質、光學性質、熱性能等）明顯表現出各向異性，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。

聚合物的取向現象主要有單軸取向和雙軸取向。單軸取向最典型的應用就是合成纖維的拉伸處理。一般在合成纖維紡絲過程中，從噴絲孔噴出的絲要拉伸若干倍，使高分子鏈沿拉伸方向高度取向，從而提高纖維的強度。單軸取向的薄膜主要是撕裂薄膜，用于捆扎，其他大多數的薄膜都是雙軸取向。雙軸取向或使分子鏈在薄膜平面方向上任意排列，各向同性且實際強度比未取向強度要高，比如戰斗機機艙蓋、安全帽以及中空塑料制品都是雙軸取向。本實驗主要研究纖維的單軸取向。

一、實驗目的與要求

1.了解取向工藝在纖維加工過程中的重要性。

2.掌握測定纖維取向度的原理及方法。

二、實驗原理

取向是外場作用使得高分子鏈沿外場方向擇優排列，但并不意味著所有高分子鏈完全都沿外場方向排列，需要引入取向度的概念來描述其取向程度。取向度是取向材料結構特點的重要指標之一，其大小對聚合物的性能有非常顯著的影響。

一般采用取向函數f來表示取向度。

式中，θ是分子鏈主軸與外場方向的夾角。如果是理想的單軸取向，θ=0°，，則取向函數f=1。如果是完全無規，f=0，，。

利用取向前后聚合物性能的顯著變化，可以測定聚合物的取向度，常見方法包括光學雙折射法、聲速法、紅外二色性法、X射線衍射法、偏振熒光法等。本實驗采用光學雙折射法測定合成纖維的取向度。

在取向纖維中，平行于和垂直于纖維軸的兩個方向上原子的排列和相互作用情況大不相同，極化率不同，因此折射率也不相同。設纖維軸向的折射率為n‖，垂直于纖維軸方向的折射率為n⊥，定義雙折射率Δn為這兩個相互垂直方向上的折射率之差，即

Δn=n‖-n⊥　　（1-9）

雙折射取向因子可表示為：

式中，Δnmax表示完全取向時的雙折射率，為完全取向時纖維軸向的折射率與垂直于纖維軸方向的折射率之差。由于完全取向試樣難以得到，通常直接將取向纖維的雙折射率Δn作為衡量取向度大小的指標。

需要指出的是，由于物質的折射率與其分子的價電子在光波電場中的極化率有關，而各種聚合物所含原子基團不同，所產生的極化率也不同，因此不能僅用雙折射率Δn來比較不同聚合物的取向度，Δn只限于用以評價同一種聚合物不同試樣的取向程度。

測定雙折射率的方法較多，常用的有浸油法和光程差法。

1.浸油法

根據式（1-9），只要分別測定n‖、n⊥，即可計算出Δn。固體的折射率不容易直接測定，可采用浸油法間接測定。

配備一套折射率已知的液體，把纖維浸入液體介質中，如果纖維和液體的折射率相等，在偏光顯微鏡下觀測不到它們之間的界線，好像纖維“溶解”在液體里一樣。如果纖維與液體的折射率不等，則可觀察到纖維與液體的界面有一條明亮的光帶，即貝克線。如果纖維的折射率大于浸油，光線通過纖維的邊緣時，向纖維一側傾斜，自纖維邊緣傾斜的光線和通過纖維中部未發生傾斜的光線，在纖維上部相交，使纖維邊緣靠近纖維（折射率大的）一側的光增強了，而纖維本身光卻變弱了，因此顯微鏡下可以清楚地看到纖維的黑暗邊緣以及一條亮線。當提高鏡筒時，亮線向折射率較大的纖維方向移動，反之，亮線向相反方向移動。也就是說，不管哪種介質的折射率高，提高鏡筒時，貝克線總是向折射率高的介質移動，依此可很容易地判斷纖維與浸油折射率的相對大小。

利用此特點，我們可以快速找到折射率與纖維相同的浸油，即分別找到與纖維n‖、n⊥相同的浸油，該浸油的折射率即為纖維的折射率。

浸油的折射率可用阿貝爾折射儀測定，阿貝爾折射儀是通過測定全反射臨界角來計算折射率的。設n1、n2分別為兩種介質的折射率，θ1、θ2分別是入射角和折射角。根據斯涅爾折射定律，n1sinθ1=n2sinθ2，當n2<n1時，θ2>θ1。當入射角增加至某一數值時，θ2=90°，此時

當入射角θ1>θc時，折射線消失，光線全部反射，這種現象稱為全反射，θc稱為全反射臨界角。若n1已知，測定θc后，可計算待測樣品的折射率n2，即

n2=n1sinθc　?。?-12）

實際測量中，阿貝爾折射儀已將全反射臨界角的值通過連動裝置轉換成了待測樣品的折射率，可以直接讀數。

2.光程差法

光在媒質中的傳播速率與折射率有關，因此在纖維軸向上的光速與垂直于軸向的光速是不相同的。纖維軸向上的極化率大，折射率n‖也大，光速v‖則較慢；垂直于纖維軸方向上極化率小，折射率n⊥也小，光速v⊥則較快。因此振動面平行于纖維軸的偏振光與振動面垂直于纖維軸方向的偏振光通過纖維的時間t‖、t⊥也不相同。

設纖維厚度為d，則t‖=d/v‖，t⊥=d/v⊥，且t‖>t⊥。當后一束偏振光透出纖維時，前一束偏振光仍在纖維中，因此后一束光比前一束光在空氣中多傳播的距離就相當于兩束光的光程差R，故有

式中，v0為光在空氣中的傳播速率。由此可得

根據式（1-14），只要測定光程差R和纖維的厚度d就可計算雙折射率Δn。

本實驗采用浸油法測定纖維的雙折射率。

三、實驗儀器與試樣

（1）儀器：BX51型偏光顯微鏡（同實驗一），阿貝爾折射儀；浸油一套（折射率在1.40～1.75之間），載玻片，蓋玻片。

（2）試樣：合成纖維。

四、實驗步驟

1.顯微鏡的調節與使用

偏光顯微鏡的調節與使用參見實驗一。本實驗中需要校正起偏鏡的振動方向，具體方法如下。

在確定起偏鏡與檢偏鏡特征方向處于正交位置后，將一段合成纖維單絲放在載玻片上，壓上蓋玻片，放置在載物臺中央，選擇合適的放大倍數觀察纖維。如果視場黑暗，表明起偏鏡、檢偏鏡特征方向分別與目鏡十字線方向一致。如果視場黑暗而纖維明亮，或者視場和纖維都明亮，表明起偏鏡和檢偏鏡特征方向與十字線方向不一致，需要校正，使起偏鏡的振動方向與十字線中的一個方向平行，這樣才能確定纖維軸是與起偏鏡振動方向平行還是垂直，從而確定得到的值是n‖還是n⊥。

2.n‖的測定

在纖維上滴上浸油，推開檢偏鏡（只用起偏鏡），先在纖維軸方向上觀察。上下移動鏡筒，觀測貝克線的移動方向，鑒定纖維折射率與浸油折射率的相對大小，選擇合適的浸油。當在顯微鏡下看不清貝克線時，說明兩者的折射率已經相當接近，要小心觀測。選擇出兩個相鄰號碼的浸油（折射率相差在0.003～0.005之間），其中一種浸油的折射率比纖維大，一種比纖維折射率小，取其平均值作為纖維的折射率。

3.n⊥的測定

把載物臺旋轉90°，測定另一方向上纖維的折射率，方法同上。

4.用阿貝爾折射儀測定所選的4種浸油的折射率

五、數據處理

分別計算n‖和n⊥，按式（1-9）計算纖維的雙折射率。

六、思考題

1.實際應用中如何穩定聚合物的取向結構？

2.如何使纖維既有較高的強度又具有較好的彈性？

3.雙折射取向因子反映了哪種結構單元的取向？