高分子材料常見的檢測技術有GPC、XRD、紅外、質譜、偏光、SPM等，具體每種檢測技術的原理、基礎知識，還有每種技術都有哪些要點及難點，咱們就一起看看。
高分子材料又稱聚合物材料，它是由高分子化合物和其他添加劑（助劑）組成。高分子材料結構決定了它的性質，通過結構控制與改性可以得到具有不同性能的材料。高分子材料獨特的結構和易改性、易加工特點，使其具有其他材料不可比擬、不可取代的優異性能，從而廣泛用于科學技術、國防建設與國民經濟各領域，并且已經成為現代社會生活衣、食、住、行等各方面所必需的物資。
成分、結構分析
1、GPC——分子量及其分布主要用于聚合物領域；
以有機溶劑為流動相（氯仿，THF，DMF）；
常用固定相填料：苯乙烯-二乙烯基苯共聚物
基本原理：
GPC是一種特殊的液相色譜，所用儀器實際上就是一臺高效液相色譜（HPLC）儀，主要配置有輸液泵、進樣器、色譜柱、濃度檢測器和計算機數據處理系統。
與HPLC最明顯的差別在于二者所用色譜柱的種類（性質）不同：HPLC根據被分離物質中各種分子與色譜柱中的填料之間的親和力而得到分離，GPC的分離則是體積排除機理起主要作用。
待分析樣品經輸液泵隨流動相一起以常量進入色譜柱時，大于凝膠孔穴大小的高分子無法滲入凝膠孔穴內而被拒絕，它只能流經凝膠粒之間，首先從色譜柱中流出，也就是說它的淋出量（或時間）是最小的；中等體積高分子能滲入凝膠部分大孔內，無法進入小孔內，較體積較大高分子出色譜柱時間晚，淋出體積略多；體積遠小于凝膠孔穴大小的高分子可完全滲入凝膠孔穴內，并最終從色譜柱排出，淋出量最多。
所以聚合物淋出體積和高分子體積也就是分子量大小有關系，分子量越大淋出越小。分離高分子根據分子量由小變大依次淋洗色譜柱，送入濃度檢測器。
標樣：
聚苯乙烯（PS，溶于各種有機溶劑）；
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）；
聚環氧乙烷（PEO，也叫聚氧化乙烯，溶于水）；
聚乙二醇（PEG，溶于水）；
PEO與PEG的碳鏈骨架相同，但是其合成原料和封端不同，由于原料的性質，使其產物的分子量和結構都有一定的區別。PEO常是指一端為甲基封端，一端為羥基封端的聚環氧乙烷，而PEG一般是兩端都是羥基封端的聚乙二醇。
2、紅外光譜——官能團、化學組成
光譜分析就是以物質的光譜為基礎，對其化學組成、結構或相對含量進行識別和測定。根據分析原理的不同，光譜技術有吸收光譜、發射光譜、散射光譜3種；按被測部位的形貌劃分，光譜技術包括原子光譜與分子光譜。紅外光譜是分子光譜的一種，它分為紅外發射與紅外吸收光譜，通常使用的通常是紅外吸收光譜。
紅外光譜的原理，在之前的推送中已經詳細介紹過了，此次著重介紹紅外光譜在高分子材料研究中的應用。主要有以下兩種：
1)聚合物的分析與鑒別。聚合物的種類繁雜，譜圖復雜。不同物質，具有不同的結構和相應圖譜，故可根據分析結果和標準譜圖比較得出最終結果。
聚乙烯（左）和聚苯乙烯（右）的紅外光譜圖
2)聚合物結晶度的測度。由于完全結晶聚合物的樣品很難獲得，因此不能僅用紅外吸收光譜獨立測量結晶度的絕對量，需要聯合其他測試方法的結果。
剪切振動峰值擬合
3、紫外光譜——鑒別、雜質檢查和定量測定
當光照射到樣品分子或者原子上時，外層電子會吸收特定波長的紫外光并從基態躍遷到激發態，從而形成光譜。紫外光波長范圍是10-400nm。波長在10-200nm范圍內的稱為遠紫外光，波長在200-400nm的為近紫外光。對于物質結構表征主要在紫外可見波長范圍，即200-800nm。
當光照射到樣品分子或者原子上時，外層電子會吸收特定波長的紫外光并從基態躍遷到激發態，從而形成光譜。
1)定性分析：尤其適用于共軛體系的鑒定，推斷未知物的骨架結構，還可以與紅外光譜、核磁共振波譜法等配合進行定性鑒定和結構分析。比較吸收光譜曲線與最大吸收波長的關系，進行定性測試。
2)定量分析：根據Lambert-Beer定律，一定波長處被測定物質的吸光度與物質的溶度呈線性關系。通過測量溶液對某一波長入射光吸光度，求出溶液中此物質的濃度及含量。
4、質譜測試
質譜技術是指在各學科領域廣泛使用的，通過氣相離子的制備，分離和檢測對化合物進行鑒定的特殊技術。質譜法可以在單次分析時提供大量結構信息，分離技術和質譜法的結合是分離科學方法的突破。在諸多分析測試方法當中，質譜學方法被譽為兼具高特異性與高靈敏度的普適性方法，應用廣泛。質譜是提供有機化合物分子量與化學式的方便與可靠方法，也是鑒別有機化合物的重要手段。
原理：試樣氣化后，氣體分子進入電離室。電離室的一端安有陰極燈絲，燈絲通電后產生電子束。分子在電子束沖擊下，失去電子，解離成離子和進一步被打碎為不同質量數的帶電荷碎片離子，這樣的離子源是質譜儀最常用的，稱為“電子轟擊離子源”。
在高分子材料中的應用：
1)高分子材料的單體、中間體以及添加劑的分析。如下圖的質譜圖，可以確定該未知物分子含有1個羧基和1個甲基，其余部分只能是-CO2或者-C3H4。不過后者的可能性更大些。
2)聚合物的表征。每一種高分子化合物的分子式、分子結構各不相同，質譜圖猶如高分子材料的“身份證”。從它們的質譜圖可判斷為何種高分子材料。
5、X射線衍射（XRD）——確定高分子結晶性能
X射線是一種波長很短（約為10-8~10-12米），在紫外線與伽馬射線中間產生電磁輻射。它是德國物理學家倫琴在1895年提出來的。X射線可以穿透具有特定厚度的材料，使熒光材料發光，照相膠乳光敏和氣體電離。
Bragg方程：2dsinß=nλ。
XRD的應用
以前曾對XRD原理，裝置及制樣方法等作過詳細描述，這次將重點討論XRD用于高分子結晶度或計算。
天然纖維素結晶度的計算公式有以下四種（劉治剛，中國測試）：
由下圖可知天然纖維素四個衍射晶面半峰寬度大、衍射峰吻合程度高、晶相和非晶相吻合程度大，造成無定型峰難以定位。
天然纖維素的XRD圖
6、小角X射線散射（SAXS）——晶體在原子尺寸上的排列
晶體內原子受到入射到晶體內的X射線作用，迫使其產生強迫振動，從而產生一種新型X射線源，發出次生X射線。
如果被照射試樣具有不同電子密度的非周期性結構，則次生X射線不會發生干涉現象，該現象被稱為漫射X射線衍射。X射線散射需要在小角度范圍內測定，因此又被稱為小角X射線散射。
試樣制備要求：
①塊狀試樣：塊狀試樣太厚，光束無法通過，因此必須減薄；
②薄膜試樣：如薄膜試樣厚度不夠，可以用幾片相同的試樣疊加在一起測試；
③粉末試樣：粉末試樣應研磨成無顆粒感，測試時，需用非常薄的鋁箔（載體）包住，或把粉末均勻攪拌在火棉膠中，制成合適厚度的片狀試樣；
④纖維試樣：對于纖維狀試樣，應盡可能剪碎，如同粉末試樣那樣制備；
⑤顆粒狀試樣：對不能磨細的粗顆粒狀樣品來說，則較為繁瑣。一個方法是將顆粒盡量切成厚度相同的薄片，然后整齊地平鋪在膠帶上；另一個方法則是顆粒熔融或者溶解成片狀試樣，條件是試樣的原始結構不被破壞；
⑥液體試樣：溶液試樣須注入毛細管中測試。制備溶液時，需注意：
1)溶質在溶劑中完全溶解，即無沉淀。
2)溶質與溶劑的電子密度差盡可能大。
應用于高分子材料天然及人工合成高聚物廣泛存在著小角X射線散射，且具有多種不同性質。小角X射線散射用于高分子，其研究內容如下：
①通過Guinier散射測定高分子膠中膠粒的形狀、粒度以及粒度分布等；
②通過Guinier散射研究結晶高分子中的晶粒、共混高分子中的微區（包括分散相和連續相）、高分子中的空洞和裂紋形狀、尺寸及分布等；
③采用長周期測定方法，對高分子體系片晶取向，厚度，結晶百分數和非晶層厚度進行了研究；
④高分子體系中的分子運動和相變；
⑤通過Porod－Debye相關函數法研究高分子多相體系的相關長度、界面層厚度和總表面積等；
⑥通過絕對強度的測量，測定高分子的分子量。
小角X射線散射研究PAN基碳纖維基體微結構：
經過2500°C碳化處理的PAN基碳纖維的試樣的試樣呈現典型的微孔-石墨兩相結構，微孔有明銳界面，石墨基體結構均勻，沒有微密度起伏；經1340°C炭化后PAN基碳纖維表現出與Porod規律正向背離，說明碳纖維中除了微孔之外，亂層石墨基體中還出現了小于1nm的微小微密度不均勻區域。
7、熱導率測試——瞬態激光法/穩態熱流法
導熱系數也叫導熱率，是指在穩定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側表面的溫差為1度（K，℃），在1秒鐘內（1S），通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度（W/(m·K)，此處為K可用℃代替）。
導熱系數，是表征材料熱傳導能力的一個物理量。導熱系數以均質材料為對象，對多孔，多層，多結構和各向異性材料可稱為平均導熱系數。導熱系數和材料類型，結構，密度，濕度，溫度，壓力相關。
熱擴散系數的定義：熱擴散系數又叫導溫系數，它表示物體在加熱或冷卻中，溫度趨于均勻一致的能力，單位為平方米/秒（m2/s) 。熱能在導熱系數大的材料中迅速擴散，導熱系數小的材料熱能擴散緩慢。該綜合物性參數不影響穩態導熱，但對于非穩態導熱時，卻是很重要的。
熱擴散系數是表示材質均溫能力大小的物理量。熱擴散系數與材料的導熱系數、密度、比熱容等因數有關。熱擴散系數采用非穩態（瞬態）法測量，在穩態導熱中不起影響。
8、激光閃射法
原理：激光法直接測試的是材料的熱擴散系數，其基本原理示意圖如下：在爐體控制的一定溫度下，由激光源發射光脈沖均勻照射在樣品下表面，使得試樣受熱均勻，利用紅外檢測器對試樣上表面對應的溫升過程進行鏈接測量，獲得了溫度上升（檢測器信號）與時間關系曲線。
激光法原理示意圖
應用：瞬態法適用于高導熱系數的材料，如金屬、合金、陶瓷以及多層材料等。
9、穩態熱流法
原理：把某一厚度試樣置于兩平板之間，沿垂直方向通以恒定單向熱流，利用修正后的熱流傳感器測得流經試樣的熱流，該傳感器位于平板和試樣之間并與試樣相接觸。當冷板和熱板的溫度穩定后，測得樣品厚度、樣品上下表面的溫度和通過樣品的熱流量，根據傅里葉定律即可確定樣品的導熱系數。
熱流法原理示意圖
應用：該法適用于導熱系數較小的固體材料、纖維材料與多空隙材料，例如各種保溫材料；
10、導熱系數測試方法-測試標準
以材料導熱系數測試為目的，除需相應的測試方法及測試設備外，更重要的是必須制定正確的標準規范測試方法，測試流程，測試條件，測試樣品，測試范圍及其他資料。
在材料導熱系數的測試領域，常用的導熱系數測試標準主要采用美國材料試驗協會（ASTM）的 ASTM-D5470，ASTM-E1461，ASTM-E1530，ASTM C518-04等。
不同導熱材料特點
對于電子器件而言，高分子絕緣材料具有獨特的結構和易改性、易加工的特點，使其具有其他材料不可比擬、不可取代的優異性能。但是一般高分子材料都是熱的不良導體，其導熱系數一般都低于 0.5Wm-1·K-1。一些常見的高分子在室溫下的導熱系數如下表所示。
常見高分子材料導熱系數
力學性能測試
1、SEM——通過SEM對材料斷口、裂紋、磨痕等進行觀察，進而評價其力學性能
自從1965年第一臺商品掃描電鏡問世以來，經過40多年的不斷改進，掃描電鏡的分辨率從第一臺的25nm提高到現在的0.01nm，而且大多數掃描電鏡都能與X射線波譜儀、X射線能譜儀等組合，成了表面微觀世界可經行綜合分析的多功能電子顯微儀器。在材料領域，掃描電鏡技術扮演了極為重要的角色，廣泛用于多種材料形態結構，界面狀況，損傷機制和材料性能預測的研究。
掃描電鏡工作原理
掃描電鏡由電子槍發射出來的電子束，在加速電壓的作用下，經過磁透鏡系統匯聚，形成直徑為5nm，經過二至三個電磁透鏡所組成的電子光學系統，電子束會聚成一個細的電子束聚焦在樣品表面。在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。
由于高能電子束在樣品物質中的相互作用，其結果形成多種信息：二次電子，背反射電子，吸收電子，X射線，俄歇電子，陰極發光以及透射電子。這些信號由對應接收器接收并放大送至顯像管柵極對顯像管亮度進行調制。由于經過掃描線圈上的電流是與顯像管相應的亮度一一對應，也就是說，電子束打到樣品上一點時，在顯像管熒光屏上就出現一個亮點。
掃描電鏡就是這樣采用逐點成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序，成比例地轉換為視頻信號，完成一幀圖像，從而使我們在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。
能譜儀與波譜儀相比的優缺點：
波譜儀用布拉格方程2dsinθ=λ從樣品中激發X射線經過合適的晶體分光后，不同波長的特性X射線會具有不同衍射角2θ。波譜儀為微區成分分析提供了一種強有力的手段。波譜儀波長分辨率較高，但因X射線利用率較低而限制了其應用。
能譜儀就是利用X光量子能量的差異進行元素分析，對某一種元素X光量子由主量子數n1層躍移至主量子數n2層時，具有一定的能量ΔE=En1-En2。能譜儀分辨率較高，分析速度較快，但是分辨本領較差，常出現譜線重疊的情況，且對低含量元素的分析精度很低。
(1) 能譜儀探測X射線的效率高。
(2) 能譜儀的結構比波譜儀簡單，沒有機械傳動部分，因此穩定性和重復性都很好。
(3) 能譜儀不必聚焦，因此對樣品表面沒有特殊要求。
但是能譜儀的分辨率比波譜儀低；能譜儀的探頭必須保持在低溫狀態，因此必須時時用液氮冷卻。
掃描電鏡應用實例
1)觀測材料界面形貌：高分子表面物理形貌及化學結構是材料性能最根本的決定因素，同時對其摩擦性能，光學性能，吸水性及生物相容性有重大影響。
高分子材料脆性斷面表面的斷裂源，鏡面區（1）、霧狀區（2）和粗糙區（3）
2)聚合物增韌機理在增韌研究方面應用：高分子聚合物斷裂通常有脆性斷裂與韌性斷裂兩種。脆性斷裂截面比較平滑，韌性斷裂截面比較粗糙，聚合物增韌是使聚合物斷裂模式從脆性斷裂向韌性斷裂過渡，使得聚合物受拉伸后斷裂伸長率大，受沖擊后不容易損壞。
2、TEM——基本形貌、結晶結構、高分子的組裝形貌等信息
光學顯微鏡下不能看到0.2微米以下的細微結構，即所謂亞顯微結構或者超細結構。為了清晰地觀察到這些構造，需要選用較短波長光源來提高顯微鏡分辨率。
電子顯微鏡（Transmission electronmicroscope，縮寫TEM），簡稱透射電鏡，是把經加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此可以形成明暗不同的影像。一般透射電子顯微鏡的分辨率為0.1~0.2nm，放大倍數為幾萬~百萬倍，用于觀察超微結構，即小于0.2微米，光學顯微鏡下不能看到的結構，又稱“亞顯微結構”。
電子束與樣品之間的相互作用圖來源：《Characterization Techniquesof Nanomaterials》[書]
TEM系統由以下幾部分組成：
電子槍：發射電子的。它包括陰極、柵極、陽極。陰極管出射電子經過柵極小孔產生射線束并在陽極電壓下加速后入射到聚光鏡中，起著加速電子束、加壓電子束作用。
聚光鏡：將電子束聚集得到平行光源。
樣品桿：裝載需觀察的樣品。物鏡：聚焦成像，一次放大。中間鏡：二次放大，并控制成像模式（圖像模式或者電子衍射模式）。
投影鏡：三次放大。熒光屏：將電子信號轉化為可見光，供操作者觀察。
CCD相機：電荷耦合元件，將光學影像轉化為數字信號。
透射電鏡基本構造示意圖
實際TEM運行前，需要被測樣品符合一定條件，對不同種類樣品制取方法各異。
高分子材料的特殊制樣方法
聚焦離子束技術（Focused Ion beam，FIB）是近年來發展起來的新技術，它是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的離子束轟擊材料表面，實現材料的剝離、沉積、注入、切割和改性。聚焦離子束技術（FIB）采用高強度聚焦離子束將材料納米加工并結合高倍數電子顯微鏡進行實時觀測，已成為納米級分析，制造的主要手段。為確保樣品純度且不受環境及人為制樣處理污染，通常采用FIB制樣。
FIB作為專業制樣方法之一，相較于人工制樣過程中人為影響因素眾多等不足，FIB可以觀測樣品缺陷和基材之間界面狀況，使用FIB便可實現切割的精確定位，并在缺陷部位制備截面樣品充分滿足制樣要求。聚焦離子束（FIB）技術是利用高強度聚焦離子束對材料進行納米加工，實現樣品表面分子和元素種類的空間分布信息，成為了納米級分析、制造的主要方法。
樣品要求
1．粉末樣品基本要求
（1）單顆粉末尺寸最好小于1μm；
（2）無磁性；
（3）以無機成分為主，否則會造成電鏡嚴重的污染，高壓跳掉，甚至擊壞高壓槍；
2．塊狀樣品基本要求
（1）需要電解減薄或離子減薄，獲得幾十納米的薄區才能觀察；
（2）如晶粒尺寸小于1μm，也可用破碎等機械方法制成粉末來觀察；
（3）無磁性；
（4）塊狀樣品的準備工作繁雜，費時，過程繁多，需有經驗豐富的教師進行引導或準備；樣品準備得好與壞，直接影響后文電鏡觀察與分析。因此塊狀樣品在準備前最好先跟TEM教師交流咨詢或者交教師準備。
影響透射電子顯微鏡分辨率的因素
理論：根據電子顯微學理論，加速電壓越高，理論空間分辨率越高。
缺陷：對于不同的試樣，高加速電壓同時會帶來輻照損傷等問題，影響實際分辨率。
影響因素：加速電壓固定后，影響透射電子顯微鏡分辨率的因素可歸結為球差、象散和色差。
3、偏光顯微鏡（PC）
偏光顯微鏡是晶體光學性質研究中的一種重要儀器，也是晶體光學研究中其他方法（油浸法、弗氏臺法等）的依據。偏光顯微鏡是一種利用光線偏振特性來研究和鑒別雙折射性物質的不可缺少的儀器，它可以作單偏光、正交偏光和錐光。將普通光改變為偏振光進行鏡檢的方法，以鑒別某一物質是單折射（各向同行）或雙折射性（各向異性）。雙折射性是晶體的基本特征。因此，偏光顯微鏡被廣泛地應用在礦物、化學等領域。
研究晶體光學性質所使用的顯微鏡裝有起偏鏡（下偏光鏡、前偏光鏡）和檢偏鏡（上偏光鏡、后偏振鏡、分析鏡）。自然光通過起偏鏡，就變成了沿某個固定方向振動的偏振光。由于裝有起偏鏡和檢偏鏡，故將此類顯微鏡稱為偏光顯微鏡。
光在偏振片上透過呈現光學等離激元聚合物熔融態或者無定形態后偏振方向不會發生變化，所以在偏光顯微鏡下觀測視野完全變暗。光線在經過呈現光學各向異性聚合物結晶態或者取向態時，會被分解為偏振方向互相垂直的兩束光。所以在偏振顯微鏡下觀察時會顯示出特征性的視線。
偏光顯微鏡應用實例之球晶觀察：
當α=0°、90°、180°和270°時，sin2α為0，這幾個角度沒有光線通過；當α為45°的奇數倍時，sin2α有極大值，因而視野最亮。因此在正交偏光顯微鏡下該球晶表現出了獨特的消光十字圖像。
Ziegler-Natta催化劑合成的等規聚丙烯等溫結晶形成的球晶
線型聚乙烯熔體冷卻形成的球晶
在某一溫度下球晶長大速度相等，利用偏光顯微鏡可通過測量球晶半徑與時間的關系來研究等溫結晶動力學。
3、掃描探針顯微鏡（SPM）
掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope，SPM）是掃描隧道顯微鏡及在掃描隧道顯微鏡的基礎上發展起來的各種新型探針顯微鏡（原子力顯微鏡，靜電力顯微鏡，磁力顯微鏡，掃描離子電導顯微鏡，掃描電化學顯微鏡等）的統稱，它是近年來國際上研制的一種集光電子技術，激光技術，微弱信號檢測技術，精密機械設計與加工等技術于一體的表面分析儀器、現代科技成果，如自動控制技術，數字信號處理技術，應用光學技術，計算機高速采集與控制以及高分辨圖形處理技術等等，都是光，機，電為一體的高科技產品。
掃描探針顯微鏡原理：基于量子的隧道效應，利用探針與樣品在近距離（<0.1nm）時，由于二者存在電位差而產生隧道電流，隧道電流對距離非常敏感，控制探針在被檢測樣品的表面進行掃描，同時記錄下掃描過程中探針尖端和樣品表面的相互作用，就能得到樣品表面的相關信息。很明顯，用該方法獲取被測樣品表面信息分辨率依賴于控制掃描定位精度及探針作用尖端尺寸（即探針的尖銳度）。
STM要求掃描的范圍從10nm到1微米以上，可以用來觀察原子水平的樣品形貌。
典型STM像
相較于其他顯微鏡技術的各項性能指標比較
乳膠薄膜的AFM圖和三維立體圖（單位：nm）
有嚴重缺陷和較為完美的高分子鍍膜（單位：nm）
掃描探針顯微鏡的應用：掃描探針顯微鏡正在迅速地被應用于科學研究的許多領域，如納米技術，催化新材料，生命科學，半導體科學等。如材料表面形貌、相組成分析；材料表面各種缺陷、污染情況分析；材料表面力性能研究；材料表面電、磁性能研究。
材料科學是科學技術發展的重要基礎學科之一, 其中, 高分子材料是材料科學的重要研究領域，它已滲透到生活和工業領域的各個方面，并起到了不可代替的作用。科技的快速發展對高分子材料提出越來越多的要求，與此同時人們對高分子材料性能的要求越來越高，高性能化和復合化已經成為高分子材料一個重要發展方向。
