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小角X射线散射论文
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2010/12/29
小角X射线散射在高分子研究中的应用
摘要:小角X射线散射（SAXS）应用广泛,现已发展成为研究亚微观结构和形态特征的一种技术手段。本文总结了SAXS在高分子研究中的应用，为国内仪器分析技术的研究发展提供参考。
关键词:小角X射线散射；高分子；分形

Theapplicationsofsmall-angleX-rayscatteringinpolymerresearch
Abstract:ThesmallAngleX-rayscattering(SAXS)whichiswidelyused,hasalreadydevelopedintoakindoftechnologytostudythemicrostructureandmorphologicalcharacteristics.Inthispaper,theapplicationsofsmall-angleX-rayscatteringinpolymerresearcharesummarizedwhichmaybeusefulfortheresearchanddevelopmentofdomesticinstrumentanalysistechnology.
Keywords：SmallAngleX-rayscattering;Polymer;Fractal.

所谓“小角散射”[1]，顾名思义，是指被研究的试样在靠近X射线入射光束附近很小角度内的散射现象。根据SAXS理论，只要体系内存在电子密度不均匀（微结构或散射体），就会在入射X光束附近的小角度范围内产生相干散射，通过对小角X射线散射图或散射曲线的计算和分析即可推导出微结构的形状、大小、分布及含量等信息。这些微结构可以是孔洞、粒子、缺陷、材料中的晶粒、非晶粒子结构等，适用的样品可以是气体、液体、固体。同时，由于X射线具有穿透性，SAXS信号是样品表面和内部众多散射体的统计结果。
1.小角X射线散射（SAXS）的研究对象
小角X射线散射（SAXS）不同于广角X射线衍射。X射线衍射（WAXD或XRD）的研究对象是固体，而且主要是晶体结构，即原子尺寸上的排列。小角X射线散射是研究亚微观结构和形态特征的一种技术和方法，其研究对象远大于原子尺寸的结构，涉及范围更广，如微晶堆砌的颗粒、非晶体和液体等[1]。
小角X射线衍射研究的对象大致可以分为以下两大类[1]：
（1）散射体是明确定义的粒子，如大分子或者分散物质的细小颗粒，包括聚合物溶液、生物大分子、催化剂中孔洞等。由小角X射线散射（SAXS）可以给出明确定义的几何参数，如粒子的尺寸和形状等。
（2）散射体中存在亚微观尺寸上的非均匀性，如悬浮液、乳胶、胶状溶液、纤维、合金、聚合物等。这样的体系非常复杂，其非均匀区域或微区并不是严格意义上的粒子，不能用简单粒子模型来描述。通过X射线散射测定，可以得到微区尺寸和形状、非均匀长度、体积分数和比表面积等统计参数。
2.SAXS在高分子研究中的应用
SAXS研究高分子结构的范围:溶液中高分子的形态与尺寸;高分子胶体中胶粒的形状、粒度及粒度分布;结晶高分子中晶粒、共混高分子中微区(包括分散相与连续相)、高分子材料中空洞和裂纹等的形状、尺寸及其分布;通过长周期的测定研究高分子体系中晶片的取向、厚度与结晶百分数、非晶层的厚度等;高分子体系中的分子运动和相变;结晶聚合物的熔融过程;多相聚合物的相分离;嵌段和支化共聚物微向分离的互逆过程;试样溶胀;低分子向高分子的渗透或扩散;对试样进行热、电、力、光诱导等动态过程;应变过程和热处理过程中高分子体系的超结构变化(如晶态、液晶态、非晶态和中间态等);高分子多相体系(包括含晶相体系和非晶共混体系等)的相关长度、界面层厚度和总表面积;判断高分子体系中的分形结构存在与否,并求出分形维数;通过绝对强度的测量计算高分子的重均分子量[2]。
下面具体论述SAXS在高分子中的应用。
2.1结晶聚合物
FloryP.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[3],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[4]。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。
TsvankinD.Y.[5]用散射曲线模型与实验数据比较的方法求解结晶聚合物的结构参数,VonkC.G.开发了相关函数拟合程序[6]。StroblG.R.和SchneiderM.找到了一种不依赖模型的方法,也就是相关函数法[7],它能使用一个简单的几何方法直接得到结晶聚合物的下列结构参数: