有機聚合物（英語：Polymer）是指具有非常大的分子量的化合物，分子間由結(jié)構(gòu)單位（structural unit）、或單體由共價鍵連接在一起。這個聚合物（polymer）是出自于希臘字：polys 代表的是多，而 meros 代表的是小單位（part）^[1]，所以很多小單位鏈接在一起的這種特別的分子，我們稱之為聚合物 ^[2]，例如塑料和高分子。掃描電鏡是研究聚合物材料的常見工具之一。

聚合物有哪些？

       聚合物應(yīng)用主要分為三大塊，也即通常所說的三大合成材料，他們分別是橡膠，塑料及纖維。可以說，聚合物材料遍布生活和工業(yè)的每一個角落，從小孩的塑料玩具到航天飛機上的器材，從汽車輪胎到內(nèi)飾，從通訊光纜的增強包覆材料到高壓電纜的絕緣材料，從腳底到頭頂（鞋，衣物，帽子）。很難想象沒有聚合物的世界是什么樣子。

聚合物的功能有哪些？

       為了適應(yīng)不同的行業(yè)，科學(xué)家和工程師們開發(fā)出各類不同功能的聚合物材料，絕緣耐高壓，到抗拉，耐潮耐熱。通過科學(xué)配方，甚至可以實現(xiàn)從絕熱到導(dǎo)熱，從絕緣到導(dǎo)電的轉(zhuǎn)變。

       1976 年白川英樹發(fā)現(xiàn)在聚乙炔里摻雜少量溴之后，電流表的指數(shù)猛的增大，以致燒壞了儀器。經(jīng)測量，聚乙炔的導(dǎo)電性變成了之前的一億倍，這已經(jīng)接近了銀的導(dǎo)電性，而這僅僅是通過填料改善聚合物的物理、化學(xué)性質(zhì)的一個案例，填料的作用很奇妙吧？

什么是填料？

       填料（英語：filler）又名填充劑，填加劑。顧名思義，是填充在聚合物材料中的他類物質(zhì)。通常，增強纖維增加聚合物復(fù)合材料的機械性能，而各種特定填料可以調(diào)節(jié)各項功能性指標：導(dǎo)電性，阻燃性，絕熱性等?？梢哉f，聚合物材料的發(fā)展，完全就是填料材料的發(fā)展。

       而聚合物材料的開發(fā)，可以說是填料材料的開發(fā)。

填料材料的研究

       填料的研究主要可分為以下三個方面：

       1. 積極開發(fā)新型填料，使用新型復(fù)合技術(shù)，尤其是納米復(fù)合技術(shù)。

       2. 研究不同種類、形狀、大小的填料，并建立復(fù)配模型。探索多種填料之間的搭配以及不同填料之間的Z佳配比，實現(xiàn)基體內(nèi)填料的Z優(yōu)填充。

       3. 改善填料在基體中的分散。

圖1. 三元復(fù)配填料在聚合物導(dǎo)熱材料中的分布示意圖

飛納電鏡對于聚合物填料研究的十八般武藝

1. 快速而優(yōu)異的形貌表征

       通過掃描電鏡成像，可以對各類填料材料，例如玻纖進行直徑分析和缺陷檢查。可以對填珠材料進行粒徑表征和粗略的均勻性評估。

       飛納電鏡抽真空時間僅需 15 秒，從進樣到第 一張 SEM 圖像僅需 30 秒，形貌表征效率高。尤其適合企業(yè)，工廠等大量樣品的測試需求。

圖2. 飛納臺式掃描電鏡對填料及分布特性進行表征

2. 背散射電子成像

       背散射電子的圖像顯示的是元素的成分信息成像，因此背散射電子對于聚合物填料有得天獨厚的成像優(yōu)勢。

       同樣有背散射電子，而飛納電鏡得益于高亮度的 CeB6 燈絲，因此背散射電子成像效果尤為zhuo越。

圖3. 橡膠中填料分布 BSD 成像

3. 冷臺

       有人會問，為什么在聚合物研究中會用到冷臺？實際上，很多聚合物材質(zhì)的熔點很低。

       高密度聚乙烯熔點范圍為 132-135℃，低密度聚乙烯熔點較低（112℃）且范圍寬。PMMA 的熔點約 130–140 °C。

       圖 4 所示樣品，在冷凍前，材料表面由于電子束的熱效應(yīng)，局部溫度升高，產(chǎn)生了許多孔洞，無法準確評估填料的分布特性。

       通過飛納電鏡冷臺，可以把樣品凍起來，給樣品降降溫，成像更準確。

       與其他配件一樣，飛納電鏡冷臺采取的是樣品杯的設(shè)計，沒有任何拆裝過程，不用擰一顆螺絲，被稱為操作zu簡單的配件。

圖4. 聚乙烯（PE）填充 40% CaSO₄ + 3% Ag 冷臺觀察

4. 內(nèi)置 134 倍光學(xué)導(dǎo)航顯微鏡

       在某些特殊應(yīng)用場合，例如高壓絕緣包裹聚四氟乙烯（PTFE）材料，科學(xué)家和工程師們對材質(zhì)的表面質(zhì)量有著苛刻的要求，材料表面的一顆不起眼的小黑點有可能會成為高壓擊穿的壞點，進而影響這個系統(tǒng)的失效。

       目視檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷，如果放到電鏡中，往往如大海撈針，很難準確定位到缺陷位置，而飛納具備內(nèi)置 134 倍光學(xué)導(dǎo)航顯微鏡，可以解決這一難題。

       飛納是光學(xué)導(dǎo)航的fa明者，也是目前放大倍數(shù)Z高的光學(xué)導(dǎo)航顯微鏡。高倍數(shù)光學(xué)顯微鏡的意義在于，可以快速定位到極其微小的缺陷所在位置。

       圖 5 左圖所示為 PTFE 管材中黑色缺陷位置，按猜測Z有可能是外來雜質(zhì)。在高倍光學(xué)導(dǎo)航的輔助下，工程師快速并準確定位到該位置，通過分析發(fā)現(xiàn)，此位置為加工缺陷，并非外來雜質(zhì)，為解決問題提供了準確方向。

圖5. 光學(xué)導(dǎo)航快速定位到缺陷位置

       好了，對于聚合物填料研究，飛納的十八般武藝還沒講完呢，如果您在工作或研究中遇到了問題，或者對分析手段感興趣，歡迎關(guān)注飛納電鏡公眾號，聯(lián)系工程師，幫助您解決問題。 

參考文獻

[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] 聚合物導(dǎo)熱材料用填料及其表面處理的研究進展，中廣核俊爾新材料有限公司