X射线小角度衍射

高分子材料测试方法

X射线小角度衍射SAXS(Small Angle X-ray Scattering)

高分子材料测试方法

内容概要一、SAXS的概述 二、SAXS的研究对象及特点 三、SAXS工作原理 四、SAXS的实物举例 五、SAXS技术在高分子研究中的应用

高分子材料测试方法

一、SAXS的概述1.概念 当X射线照到试样上,如果试样内部存在 纳米尺寸的密度不均匀区(1-100nm),则会在 入射X射线束周围2-5°的小角度范围内出现 散射X射线.称为X射线小角度散射,英文为Small Angle X-ray Scattering,简称SAXS. 一般而言，把2θ大于5°的散射称为广角X射 线衍射(WAXS),把把2θ小于5°的散射称小角X 射线衍射( SAXS)

高分子材料测试方法

2.发展历史 自20世纪30年代发现小角X射线散射现象 以来,它已成为材料几何结构表征的有效 手段之一。 历史上,SAXS发展缓慢,主要是因为小角相 机的装配操作麻烦,还受X射线强度的限制, 曝光时间(特别是稀溶液)很长。 20世纪70年代以后,随着同步辐射(SR)装 置的建立,以同步辐射为X射线源的小角散 射(SR-SAXS)平台成了小角X射线散射实验 的主要基地。

高分子材料测试方法

3.国外的现状 目前,世界上大约有22个国家(和地区)建有(或将建)60 余个同步辐射装置,它们大都分布在发达国家,如美国、 法国、英国、德国、意大利、俄罗斯、日本等。 国外高分子科学研究群体已是同步辐射中心的重要用 户群,如欧洲同步辐射中心ESRF的12个研究方向组中有 3个是与高分子学科相关,包括主要针对高分子材料的5 线6站的软物质研究群;美国NSLS甚至建有一条专门研 究高分子材料的同步辐射线站。英国Diamond也专门建 设了一条研究高分子材料和其它软物质的线站。国际 石化巨头EXXON MOBILE在NSLS建有一条自己的实验线 站。

高分子材料测试方法

4.国内现状 我国同步辐射建设相对较晚,现已在大陆建成三个同步辐 射中心(北京、合肥和上海) 。但它属于高能物理的一个 副产物,同步辐射每年只对外开放2 到3 月。合肥国家同 步辐射实验室经过一期和二期建设,现已建成14条线站, 全时对用户开放。上海光源的建设成功,标志着我国已经 进入国际先进同步辐射俱乐部,并已在2009年5月开始对 用户开放。

高分子材料测试方法

二.SAXS的研究对象及特点1.SAXS的研究对象(1)散射体是明确定义的粒子，如大分子或分散物质中 细小颗粒，包括聚合物溶液，生物大分子，催化剂中 的空洞等。 SAXS可以给出明确定义的几何参数，如粒子的尺寸， 形状等。 (2)散射体中存在的亚微观尺寸上的非均匀性，如悬浮 液、乳胶、胶状溶液、纤维、聚合物等。 SAXS得到的是微区尺寸和形状、非均匀长度、体积 分数和比表面积等参数。

高分子材料测试方法

2.SAXS的特点: SAXS对试样的适用范围较宽,可以是液体、固体、晶体、 非晶体或它们之间的混合体,也可以是包留物和多孔性材

料等。 SAXS可以研究高聚物的动态过程,如熔体到晶体的转变过 程。 当研究生物体的微结构时,SAXS可以对活体或动态过程进 行研究。 SAXS可以得到试样内统计平均信息。 试样制备简单,在SAXS 测试中一般不被破坏,而且还可反 复使用或供其它测量使用。

高分子材料测试方法

三、SAXS工作原理1.SAXS的原理能用布拉格定律2dsin =n 来 解释，具体的应用场合则因为入射射线的 本质和被检测样品的本质不同而有所区别。

高分子材料测试方法

由布拉格方程可以看出:入射线经过样品 时的光程差 (对于一般晶体材料，主要 由面间距d决定；对于胶体颗粒，主要由 颗粒电子密度起伏决定);入射角度 和 入射射线的波长 。电子衍射和普通X射 线衍射的区别在于入射线本质不同；普 通X射线衍射和小角度X射线衍射在于样 品对光程差的贡献不同。

高分子材料测试方法

2.SAXS的工作装置图

高分子材料测试方法

四、SAXS的实物举例1.实物S3-MICRO:

高分子材料测试方法

2.处理结果举例:

高分子材料测试方法

五、SAXS技术在高分子研究中 的应用1 结晶聚合物Flory P.J.等人在理论上证实了结晶聚合物在结晶非晶之间存在着一个中间相,说明了结晶聚合物是“三相 结构”,不是传统的“两相结构”。在研究结晶聚合物时 ，往往将小角X射线散射和广角衍射结合在一起分析。用 广角衍射观察晶体结构(0.1~0.5nm),如晶型、结晶度 和晶粒尺寸等；用小角散射观察形态特征(大于1.5nm) ,如晶体微区大小、形状、长周期和界面层等。

高分子材料测试方法

2 嵌段共聚物荣利霞、魏柳荷等应用同步辐射小角x射线散射 (SAXS)方法研究了不同聚合条件下苯乙烯-对乙烯基苯甲 酸两亲性嵌段聚合物的聚集行为,结果发现该聚合物在选 择性溶液中自组装形成胶束。胶束的形态和结构取决于

嵌段聚合物的组成、浓度以及溶剂的性质等因素。

高分子材料测试方法

3 离聚体离聚体是指共聚物中含有少量离子的聚合物。由于 高分子链存在着离子化的侧基，可形成离子聚集体，从 而使此类聚合物具有独特的结构形态和性能。由于离聚 体中离子聚集体的尺寸非常小，并且难以制备非常薄的 样品，以致给电镜研究离聚体带来不少困难。因此，一 般用SAXS来提供离聚体形态结构的信息。Longworth等人 用SAXS研究乙烯-甲基丙烯酸钠离聚体时，首先观察到在 2θ≈4。附近有一散射峰，而不含钠离子时则不含此峰。 因此峰与有序的离子聚集体的散射有关，因而把它称为 离子峰。对于离子峰有两个基本解释：一是粒子之间的 散射干涉，其次是粒子内的散射干涉。