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简介

聚合物是由高分子量化合物构成的一类重要材料，其大分子链通过共价键将大量重复单体单元有序连接而成。尽管自然界存在天然聚合物（如天然橡胶、蛋白质及纤维素等），但当代工业应用中的聚合物材料（包括工程塑料、合成纤维和功能高分子材料等）主要源于人工合成技术。

合成聚合物因其可设计的分子结构展现出可控的物理性能，已成为现代生活不可或缺的基础材料。从聚乙烯包装到聚酯纤维纺织品，聚合物制品已渗透至各个应用领域。这类材料的广泛应用主要源于三大特性优势：质轻特性、耐化学腐蚀性以及突出的成本效益。

根据化学结构特征，聚合物可分为非晶态与半结晶态两种基本形态。所谓半结晶态，是指材料内部同时存在结晶相与非晶相的结构特征。其本质源于聚合物大分子链的特殊排布方式：链段可通过无序缠结形成非晶区，亦能以层状有序堆叠构成结晶区。材料中结晶相所占的质量分数被定义为结晶度，其表达式为：

其中Ic和Ia分别是结晶成分和非晶成分的信号强度。

聚合物结晶度受多重参数影响，主要包括：链结构规整度、冷却速率动力学参数、分子间相互作用强度及后处理工艺条件。这种结构参数与宏观物性间的构效关系，使得结晶度测定成为解析材料宏观性能的有效手段。典型表现为：高结晶度往往对应着更高的弹性模量。在表征方法学层面，X射线衍射（XRD）技术因其对晶格周期的敏感性成为理想分析工具—结晶区域产生布拉格衍射峰，而非晶区域呈现宽峰。值得注意的是，多晶型现象可能导致额外衍射峰出现，这使得XRD不仅能定量区分结晶相/非晶相比例，还能鉴别共存相。本研究采用安东帕XRDynamic500全自动多功能衍射仪获取聚丙烯样品的衍射图谱，并基于安东帕XRDanalysis软件的Rietveld精修算法完成晶相定量分析。

实验

本报告测试了四个聚丙烯样品；两种是通过压缩成型制备的，另外两种是通过注射成型制备的。来自压缩成型和注射成型的两个样品之一均已成核。当成核聚合物冷却时，由于成核介质的存在，可以更容易且以更快的速率结晶。因此，与无成核样品相比，它们可能具有更高的结晶度。为简单起见，本报告中所有样品均以简称命名；L-PP（压缩成型）、L-PP-N（压缩成型有核）、L-PP（注射成型）和L-PP-N（注射成型有核）。制备好的样品在XRDynamic500的固定样品台上进行测试。使用Primux3000铜靶X射线源和Ni/C多层膜单色器以Bragg-Brentano几何进行测量。数据在6°至35°的2θ范围内收集，步长为0.05°。光束尺寸由电动发散狭缝和电动光束掩模控制。初级单元和次级单元均使用电动索拉狭缝（0.05rad）。

结果    

下图显示了使用Kβ滤光片或单色器以布拉格-布伦塔诺几何测试的L-PP（压缩成型）样品的衍射图。可以清楚地看到，与使用Kβ滤光片相比，单色器的应用显著降低了整体测量背景（尤其在衍射角低于15°2θ时尤为突出）。在此测量中，单色器能够检测到在约8.3°2θ处的小峰，当仅使用Kβ滤光片时，该小峰完全隐藏在背景中。此外，使用单色器将峰值强度增强了约20%：这导致信噪比和整体数据质量的显著改善。

下图显示了采用不同扫描时间对L-PP（压缩成型）样品进行的测试。实验表明：5分钟短时扫描即可清晰辨识所有特征衍射峰。如理论预期，延长测量时间有效抑制背景噪声，使衍射数据信噪比显著提升。

下图显示了所有样品的实验数据以及量化非晶相含量后的拟合曲线。所有衍射谱在2θ≈17.5°处均呈现典型宽峰，这与聚丙烯半结晶特性相符。不同试样特征峰强度差异显著，归因于成型工艺的多晶型相比例变化及择优取向效应。由于低角度2θ的背景较低，在8.3°2θ处也可以观察到一个小峰，是α-聚丙烯的020衍射峰。其他峰归属于α或β-聚丙烯，表明样品中存在不同晶型。为了量化样品的结晶度，使用了安东帕的XRDanalysis分析软件。它通过比较结晶相的衍射峰面积和非晶峰的面积来评估结晶度，而无需任何先前的晶体学信息或标样数据。下图显示了拟合结果；表格给出了结果总结。可以看出，正如预期的那样，两个成核样品都具有较高的结晶度，因为聚合物的成核可能导致更多的结晶成分的生长。

结论    

结果表明，聚合物样品（在本例中为聚丙烯）的结晶度可以使用XRD轻松测定。此外，还确定了结晶相的不同组分（α-和β-聚丙烯）的相比例在不同成型方式之间有所不同。安东帕的自动多用途粉末X射线衍射仪XRDynamic500是此类测试的完美选择，因为它在整个2θ范围内提供非常低的背景，有助于低强度峰的检测和分析。XRD分析中进行的非晶相定量分析无需任何晶体学输入或标样数据即可确定结晶和非晶成分比例，从而使数据解析快速而直接。