飞纳电镜 | 聚合物填料研究的十八般武艺

       有机聚合物（英语：Polymer）是指具有非常大的分子量的化合物，分子间由结构单位（structural unit）、或单体由共价键连接在一起。这个聚合物（polymer）是出自于希腊字：polys 代表的是多，而 meros 代表的是小单位（part）^[1]，所以很多小单位链接在一起的这种特别的分子，我们称之为聚合物 ^[2]，例如塑料和高分子。扫描电镜是研究聚合物材料的常见工具之一。

聚合物有哪些？

       聚合物应用主要分为三大块，也即通常所说的三大合成材料，他们分别是橡胶，塑料及纤维。可以说，聚合物材料遍布生活和工业的每一个角落，从小孩的塑料玩具到航天飞机上的器材，从汽车轮胎到内饰，从通讯光缆的增强包覆材料到高压电缆的绝缘材料，从脚底到头顶（鞋，衣物，帽子）。很难想象没有聚合物的世界是什么样子。

聚合物的功能有哪些？

       为了适应不同的行业，科学家和工程师们开发出各类不同功能的聚合物材料，绝缘耐高压，到抗拉，耐潮耐热。通过科学配方，甚至可以实现从绝热到导热，从绝缘到导电的转变。

       1976 年白川英树发现在聚乙炔里掺杂少量溴之后，电流表的指数猛的增大，以致烧坏了仪器。经测量，聚乙炔的导电性变成了之前的一亿倍，这已经接近了银的导电性，而这仅仅是通过填料改善聚合物的物理、化学性质的一个案例，填料的作用很奇妙吧？

什么是填料？

       填料（英语：filler）又名填充剂，填加剂。顾名思义，是填充在聚合物材料中的他类物质。通常，增强纤维增加聚合物复合材料的机械性能，而各种特定填料可以调节各项功能性指标：导电性，阻燃性，绝热性等。可以说，聚合物材料的发展，完全就是填料材料的发展。

       而聚合物材料的开发，可以说是填料材料的开发。

填料材料的研究

       填料的研究主要可分为以下三个方面：

       1. 积极开发新型填料，使用新型复合技术，尤其是纳米复合技术。

       2. 研究不同种类、形状、大小的填料，并建立复配模型。探索多种填料之间的搭配以及不同填料之间的Z佳配比，实现基体内填料的Z优填充。

       3. 改善填料在基体中的分散。

图1. 三元复配填料在聚合物导热材料中的分布示意图

飞纳电镜对于聚合物填料研究的十八般武艺

1. 快速而优异的形貌表征

       通过扫描电镜成像，可以对各类填料材料，例如玻纤进行直径分析和缺陷检查。可以对填珠材料进行粒径表征和粗略的均匀性评估。

       飞纳电镜抽真空时间仅需 15 秒，从进样到第 一张 SEM 图像仅需 30 秒，形貌表征效率高。尤其适合企业，工厂等大量样品的测试需求。

图2. 飞纳台式扫描电镜对填料及分布特性进行表征

2. 背散射电子成像

       背散射电子的图像显示的是元素的成分信息成像，因此背散射电子对于聚合物填料有得天独厚的成像优势。

       同样有背散射电子，而飞纳电镜得益于高亮度的 CeB6 灯丝，因此背散射电子成像效果尤为zhuo越。

图3. 橡胶中填料分布 BSD 成像

3. 冷台

       有人会问，为什么在聚合物研究中会用到冷台？实际上，很多聚合物材质的熔点很低。

       高密度聚乙烯熔点范围为 132-135℃，低密度聚乙烯熔点较低（112℃）且范围宽。PMMA 的熔点约 130–140 °C。

       图 4 所示样品，在冷冻前，材料表面由于电子束的热效应，局部温度升高，产生了许多孔洞，无法准确评估填料的分布特性。

       通过飞纳电镜冷台，可以把样品冻起来，给样品降降温，成像更准确。

       与其他配件一样，飞纳电镜冷台采取的是样品杯的设计，没有任何拆装过程，不用拧一颗螺丝，被称为操作zu简单的配件。

图4. 聚乙烯（PE）填充 40% CaSO₄ + 3% Ag 冷台观察

4. 内置 134 倍光学导航显微镜

       在某些特殊应用场合，例如高压绝缘包裹聚四氟乙烯（PTFE）材料，科学家和工程师们对材质的表面质量有着苛刻的要求，材料表面的一颗不起眼的小黑点有可能会成为高压击穿的坏点，进而影响这个系统的失效。

       目视检测中发现的缺陷，如果放到电镜中，往往如大海捞针，很难准确定位到缺陷位置，而飞纳具备内置 134 倍光学导航显微镜，可以解决这一难题。

       飞纳是光学导航的fa明者，也是目前放大倍数Z高的光学导航显微镜。高倍数光学显微镜的意义在于，可以快速定位到极其微小的缺陷所在位置。

       图 5 左图所示为 PTFE 管材中黑色缺陷位置，按猜测Z有可能是外来杂质。在高倍光学导航的辅助下，工程师快速并准确定位到该位置，通过分析发现，此位置为加工缺陷，并非外来杂质，为解决问题提供了准确方向。

图5. 光学导航快速定位到缺陷位置

       好了，对于聚合物填料研究，飞纳的十八般武艺还没讲完呢，如果您在工作或研究中遇到了问题，或者对分析手段感兴趣，欢迎关注飞纳电镜公众号，联系工程师，帮助您解决问题。 

参考文献

[1] Online Etymology Dictionary

[2] IUPAC. "Glossary of Basic Terms in Polymer Science". Pure Appl. Chem. 1996, 68, 2287-2311.

[3] Chiang, C. K.; Druy, M. A.; Gau, S. C.; Heeger, A. J.; Louis, E. J.; MacDiarmid, A. G.; Park, Y. W.; Shirakawa, H. Synthesis of Highly Conducting Films of Derivatives of Polyacetylene, (CH)x. Journal of the American Chemical Society. 1978, 100 (3): 1013. doi:10.1021/ja00471a081.

[4] Ebbing, Darrell; Steven Gammon. General Chemistry 8th. New York: Houghton Mifflin Company. 2005: 1042–1043. ISBN 0-618-399410.

[5] 聚合物导热材料用填料及其表面处理的研究进展，中广核俊尔新材料有限公司