X射線衍射儀在錦綸66纖維研究中的應(yīng)用

張超 劉明華

摘 要：介紹了X射線衍射儀在錦綸66纖維研究中的應(yīng)用，利用X射線衍射儀測試錦綸66纖維，根據(jù)X射線衍射圖譜計(jì)算出錦綸66纖維的結(jié)晶度、取向度等結(jié)晶結(jié)構(gòu)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：錦綸66；X射線衍射；結(jié)晶度；取向度

錦綸66，又名尼龍66，是一種重要的合成纖維，由己二酸和己二胺縮聚而成，其化學(xué)分子式為-[NH（CH2）6NHOC（CH2）4CO]n-，于20世紀(jì)50年代開始開發(fā)和生產(chǎn)注塑產(chǎn)品，用以取代金屬，可以滿足下游工業(yè)制品輕量化、降低成本的要求。錦綸66纖維具有強(qiáng)度高、耐疲勞、抗沖擊、耐摩擦、化學(xué)穩(wěn)定性好、單位質(zhì)量低、耐熱性好、尺寸穩(wěn)定性好以及易于加工等優(yōu)良特點(diǎn)，應(yīng)用范圍十分廣泛。目前錦綸66的消費(fèi)結(jié)構(gòu)為：機(jī)機(jī)械制造31%、電子電氣30%、汽車20%、包裝12%、輕紡4%、其它3%，其應(yīng)用領(lǐng)域已由主要做輪胎簾子布發(fā)展到汽車零部件、電力和電子器件等多個(gè)領(lǐng)域。

X射線衍射儀是對物質(zhì)和材料的組成和原子級結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和鑒定的基本手段。在纖維領(lǐng)域，X射線衍射儀可以用來研究材料中的各種化合物的各種原子怎么排列，還可以測定材料中的應(yīng)力、織構(gòu)、取向度、結(jié)晶度等等。由于纖維的性能和功能取決于其組成和結(jié)構(gòu)，所以X射線衍射儀在錦綸66纖維研究應(yīng)用中有著舉足輕重的作用。利用錦綸66纖維的X射線衍射圖譜分析結(jié)果，分析其結(jié)晶參數(shù)、取向參數(shù)，可以定性分析纖維的性能。

1 X射線衍射儀原理

X射線衍射儀（XRD）以W.H.布拉格的“X射線光譜儀”實(shí)驗(yàn)裝置為原型，融合了現(xiàn)代機(jī)械和電子技術(shù)等多方面的成果而制成。衍射儀由X射線發(fā)生器、直流高壓發(fā)生器、測角儀、單道脈沖幅度分析器、石墨彎晶單色器、輻射探測器、纖維附件、操作與分析系統(tǒng)等組成，是以特征X射線照射照射多晶體樣品，并以輻射探測器記錄衍射信息的實(shí)驗(yàn)裝置。X射線衍射儀最重要的是四個(gè)部分：第一，X射線發(fā)生器，用來產(chǎn)生穩(wěn)定的X射線光源；第二，測角儀，用來測量衍射圖譜三要素，使光源、試樣和探測器滿足一定的幾何和衍射條件；第三，電子記錄系統(tǒng)，用來記錄衍射圖譜；第四，計(jì)算機(jī)及其附件，用來控制儀器運(yùn)轉(zhuǎn)。

X射線衍射儀的基本工作原理是：X射線衍射儀是由高壓發(fā)生器提供一個(gè)給定的高壓到X射線管兩極，陰極產(chǎn)生的陰極電子流碰撞到陽極時(shí)產(chǎn)生X射線，X射線經(jīng)梭拉狹縫S1、發(fā)散狹縫FS后照射到樣品表面，衍射線徑散射狹縫JS、梭拉狹縫S2、接收狹縫FSS到達(dá)石墨單色器，然后進(jìn)入檢測器，徑放大并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后為數(shù)字信息。測量過程中，樣品臺載著樣品按照一定的步徑和速度轉(zhuǎn)過一定的角度θ（掠射角），檢測器伴隨著轉(zhuǎn)過衍射角2θ，這種驅(qū)動(dòng)方式被稱為θ-2θ方式。

2 結(jié)晶度、取向度的分析方法

錦綸66纖維作為高分子材料，不同類型的產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易觀測，對其晶胞結(jié)構(gòu)無法詳細(xì)探測。而纖維的結(jié)晶度、取向度是決定纖維性能的重要一環(huán)，對錦綸66纖維進(jìn)行X射線衍射圖譜定性分析，所得結(jié)果可以作為參考對纖維的具體性能進(jìn)行鑒別。

纖維的X射線衍射圖像實(shí)質(zhì)上是晶體微觀結(jié)構(gòu)的一種精細(xì)復(fù)雜的變化，從其特征X射線衍射圖譜上可以得到諸多信息。不同類型的錦綸66纖維的衍射花樣在線條數(shù)目、角度位置、強(qiáng)度上都會顯現(xiàn)出一定的差異，通過對比不同的衍射譜，可以對纖維進(jìn)行定性分析。

衍射譜中可以直接得到晶面間距d值、參考比強(qiáng)度I值、半高度全寬FWHM值等，通過對這些數(shù)值的計(jì)算，可以得到結(jié)晶度、取向度。

目前使用X射線衍射儀得到的衍射圖譜，一般會運(yùn)行計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析，例如PDP、jade等。軟件可以實(shí)現(xiàn)和原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)的直接對接，可以手動(dòng)或者自動(dòng)標(biāo)注衍射峰的位置，還可以自動(dòng)檢索衍射圖譜對應(yīng)的物相，并進(jìn)行晶格參數(shù)的計(jì)算，同時(shí)計(jì)算峰的面積、質(zhì)心，編輯圖譜等。

3 X射線衍射儀分析錦綸66纖維實(shí)例

3.1 實(shí)驗(yàn)試樣

將錦綸66纖維制成粉末狀裝入濾波片，將錦綸66纖維拉直裝入纖維附件。

3.2 X射線衍射測試

實(shí)驗(yàn)儀器：XRD-3型X射線衍射分析儀 （北京普析通用公司生產(chǎn)）。

結(jié)晶度測試條件：Ni片濾波，靶型Cu，輻射Cu-Kα，電壓36kV，電流 25mA，測試范圍2θ=5～50°，掃描速度8°/min。

取向度測試條件：纖維附件，靶型Cu，輻射Cu-Kα，電壓40kV，電流30mA，測試范圍2θ=90～270°，掃描速度16°/min。

3.3 計(jì)算方法

3.3.1 衍射峰位置

根據(jù)錦綸66纖維晶胞參數(shù)，通過Bragg公式計(jì)算出各試樣的特征衍射峰位置。

Bragg公式為：

d=■

式中：d為晶面間距，n為衍射級次，θ為Bragg角，λ為X光波長。

3.3.2 結(jié)晶度計(jì)算

根據(jù)X射線衍射圖譜以及衍射峰，可以對錦綸66纖維的結(jié)晶度進(jìn)行計(jì)算：

Cr/%=■×100

式中：Cr為結(jié)晶度，n為結(jié)晶峰的面積，為非結(jié)晶峰的面積。

3.3.3 取向度計(jì)算

根據(jù)纖維附件X射線衍射圖譜以及衍射峰，可以對錦綸66纖維的取向度進(jìn)行計(jì)算

F/%=■

3.4 錦綸66纖維的實(shí)際分析結(jié)果

幾種不同錦綸66纖維的實(shí)際分析結(jié)果

不同的錦綸66纖維制造工藝不同，導(dǎo)致的纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)存在差異，也影響了其物理性能。

4 結(jié)束語

目前X射線衍射儀在錦綸66纖維方面，主要功能是應(yīng)用其測量技術(shù)來測定錦綸66纖維的結(jié)晶度、取向度，從而能定性分析不同類型錦綸66纖維的性能，可以滿足日常研究的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]葉大年，金成偉.X射線粉末法及其在巖石學(xué)中的應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，1984.

[2]王英華.X光衍射技術(shù)基礎(chǔ)》[M].原子能出版社，1987.

[3]劉粵惠，劉平安.X射線衍射分析原理與應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2003.