《高性能高分子材料表征》系统介绍了高性能高分子材料的化学元素组成、链结构、分子量及聚集态结构和多种性能的标准化表征技术，提供高性能与功能化高分子材料表征技术的基本原理、测试方法、相关标准及应用案例。主要内容包括：化学元素组成分析及链结构表征，涉及有机元素分析、电感耦合等离子体原子发射光谱和质谱、原子吸收光谱、X射线荧光光谱、离子色谱、红外光谱、核磁共振波谱、拉曼光谱等；分子量及分子量分布表征，涉及凝胶渗透色谱、静态激光光散射、基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱等；聚集态结构表征，涉及偏光显微镜、电子显微镜、原子力显微镜、差示扫描量热、正电子湮没寿命谱、X射线衍射和散射等；基本物理特性表征，包括粒度、比表面积、孔径、密度等内容，涉及动态激光光散射、气体吸附和压汞技术等；宏观性能表征，包含热性能、力学性能、耐环境性能和光、电性能，涉及热重、导热、热膨胀和动态热机械分析，拉伸、压缩、弯*、剪切、剥离、撕裂等力学试验，老化试验、生物降解试验和热裂解气相色谱质谱分析、高分子材料全生命周期评价中老化降解产物收集与分析，以及紫外-可见分光光谱、荧光光谱、四探针测试、矢量网络分析等；前沿表征技术，涉及原子力-红外联用、同步辐射和中子散射等。

第1章 绪论
　　1920年，Hermann Staudinger的《论聚合》问世，高分子的概念得以确立，至今有百余年历史，高分子材料已充分融入生活的方方面面[1，2]。基于高分子材料灵活多变的分子结构特点，可实现坚硬、柔软、弹性、透明、阻隔、导电或绝缘、耐用或可生物降解等多样化应用，其应用领域涵盖了如食品阻隔包装、保温建筑、轻质工程材料、功能性纺织品、耐候涂层、耐用黏合剂，以及生物医用材料(如人工组织替代物、药物释放系统)等方面[3-10]。
　　高分子材料，特别是功能性、高性能高分子材料相关学科的快速发展，离不开现代仪器分析测试或表征技术的发展。高分子材料的结构特征、性能特点及其之间的构-效关系确立均需借助大量的现代分析测试技术进行多维度表征。如今，随着应用领域的扩大，人们对高分子材料的需求也逐渐趋于高性能化与多功能化的方向发展，这也对新型分析测试或表征方法的发展及表征手段的合理运用提出了更高的要求，以便更高效、准确地获取材料的相关信息，为高分子材料的结构设计与高性能化提供有效的指导。
　　基于此，本书将对高性能高分子材料表征测试原理进行论述，并着重对各种分析测试技术的应用场景进行详细介绍。为使读者能够更好地理解本书中高性能高分子材料的相关概念及表征技术，*先应明确高性能高分子材料的概念。
　　1.1 高性能高分子材料定义
　　高分子由众多结构单元(单体)通过化学键相互连接而成，其分子结构可为线型、支化型或交联型，分子量通常为104～107数量级。不同化学组成的结构单元通过不同的方式或顺序排列成高分子链，高分子链进一步堆砌成不同的聚集态结构，*终构成了种类多样、性能各异的高分子材料。高性能高分子材料，通常被理解为具有优异力学或耐热性能的特种工程塑料或特种弹性体，该类材料在航空航天、电子电气、能源动力及国防**等领域中发挥重要的作用。然而，随着高分子材料应用面的不断拓宽，单一的高强度已不能够满足人们对于高分子材料的性能与使用要求，因此，人们需要开发新型高分子材料，使高分子材料在不同应用场景中均实现“高性能化”。例如，在电子电气领域，需要材料具有更高的绝缘或导热性能；在生物医用领域，需要材料具有更高的生物相容性；在能源领域，需要材料展现出更好的电化学性能及耐腐蚀性；在农用薄膜领域，则希望材料表现出更加适宜的阻隔或透过性及降解性能等。可见，赋予高分子材料多功能，是目前高性能高分子的重要发展特征。在本书中，高性能高分子材料指在特定应用领域中展现出相对传统高分子材料更高性能或其他功能的一类高分子材料。从性能上分：一是指高模量、高强度及耐高温高分子材料(包含高模量、高强度纤维)等；二是指具有某种重要功能的高分子材料，如具有特殊光、电、声、磁、可控降解等性能的有机材料，而非狭义的特种塑料/弹性体材料。
　　根据目前国家发展需求，高性能高分子材料的应用领域大致可分为：新能源电池、高效分离分析、高性能复合材料、3D打印、隐身等尖端技术、第四代电子产品等急需的高性能高分子材料，以及具有高阻隔的食品接触、药品包装和具有组织相容性的生物医用(骨植入材料、血液透析膜等)等功能性高分子材料及其复合物。
　　高性能与功能化高分子材料具体包括但不限于如下种类：酚醛、脲醛，含芳环的环氧树脂，聚酰胺与聚酰亚胺，聚芳醚，聚磷腈，聚芳醚腈，聚醚酮，聚醚砜，聚芳硫醚，聚苯并嗪，含二氮杂萘酮联苯结构聚合物，高性能纤维(如芳纶、超高分子量聚乙烯)，生物降解塑料，含氟塑料，聚脲、聚氨酯及其共混物和复合材料等或经过功能改性的通用高分子材料及其复合物。
　　1.2 高性能高分子材料结构与表征内容
　　1.2.1 高分子的结构特点
　　高分子材料的结构决定了其性能和应用，因此深入研究其结构对于设计、优化高分子材料具有重要意义[2，11]。基于自身结构特点的差异化，不同高分子材料可展现出*特的性能特点。在讨论高性能高分子材料的性能与表征之前，我们*先需要了解高分子的基本结构特征。通常，高分子的结构可以分为三个层级结构。这些结构层次相互关联，共同影响高分子材料的性能。
　　1. 一级结构
　　高分子的一级结构也称近程结构，通常指分子链中结构单元的排列方式，即化学结构，这是高分子的基本构成。一级结构的特点直接决定了材料的基本性质。在合成高分子的过程中，单体通过化学键(如共价键)连接形成长链。高分子材料的一级结构因其单体单元种类、组成和排列顺序的不同而具有多样性。以下是关于高分子材料一级结构的几个关键方面：
　　(1)单体的种类：高分子材料的单体种类丰富多样，包括有机单体(如乙烯、苯乙烯、丙烯酸酯等)和无机单体(如硅氧烷或环磷腈等)。单体的种类决定了高分子链的基本骨架结构，进而影响了材料的性能。
　　(2)结构单元的组成：结构单元的组成决定了所构成的高分子是属于均聚物或共聚物等。均聚物是由相同类型的结构单元共价连接而成的高分子，共聚物由两种或多种不同的结构单元连接而成。
　　(3)排列顺序和空间构型：结构单元在高分子链上的排列顺序可以是有规律的或随机的。有规律的排列顺序通常会导致较高的结晶性和有序性，从而影响材料的力学、热等性能。而结构单元随机排列的高分子链具有更高的非晶性和无序性，可能导致不同的性能。空间构型是指结构单元连接的几何方式不同，如顺反异构。
　　2. 二级结构
　　高分子的二级结构也称远程结构，是指分子链的空间排列和局部有序结构，包括分子链的折叠、螺旋、层状结构等。二级结构受到一级结构的影响。例如，不同的单体序列会导致不同的分子链构象。二级结构对材料的晶体结构、力学性能、热性能等有重要影响。例如，普通聚乙烯塑料袋和聚乙烯纤维中的高分子链具有不同的二级结构，因而二者性能表现有差异。以下是关于高分子材料二级结构的几个关键方面：
　　(1)高分子链尺寸：高分子链尺寸是指高分子链在空间中所占据的体积。链尺寸受到分子量、链段长度、单体类型、分子链柔度等因素的影响。链尺寸的变化会影响高分子材料的溶解性、黏度、扩散性能等。分子量及其分布是高分子材料的一个重要参数，它表示高分子链的大小。分子量越大，参与链结构构筑的结构单元数量就越多，从而影响材料的力学性能、易加工性等。
　　(2)高分子链形态：高分子链构象是指高分子链在三维空间中的排列和形状。构象是分子链在一定温度、压力和环境条件下基于原子间力的作用所呈现出的稳定或准稳定的空间结构。在不同的环境条件下，高分子链可能发生构象变化，构象变化对材料的宏观性能有很大影响。
　　3. 三级结构
　　高分子的三级结构也称凝聚态结构，是指高分子链在更大的尺度上，如微米或纳米尺度上的空间排列和组织形态。凝聚态结构主要描述分子链之间的排列与相互作用、相分离现象及不同相区的形成和分布，涵盖了高分子材料整体的内部结构。以下是关于高分子材料凝聚态结构的几个关键方面：
　　(1)相分离与相区：在高分子材料中，尤其是共聚物或者共混物中，通常会发生相分离现象。相分离现象导致材料中形成具有不同化学和物理性质的相区。这些相区的形成和分布对材料的宏观性能具有重要影响。
　　(2)结晶与非晶区域：凝聚态结构中，高分子材料通常包含结晶区域和非晶区域。结晶区域是指分子链在空间上有序排列的区域，非晶区域则是指分子链在空间上无序排列的区域。结晶区域与非晶区域的相对比例及它们的空间分布直接导致了不同材料的力学性能、热性能和光学性能等宏观性能的差异。
　　(3)取向结构：高分子的取向结构是指聚合物分子链在宏观尺度上表现出一定方向性排列的现象。当高分子链沿着某一方向有序排列时，称为取向。取向结构的形成通常导致高分子材料的性能在不同方向有显著差异，如某一个方向性能显著增强。该类结构通常需借由外力实现，如经过挤出、吹塑、拉伸等加工过程。
　　1.2.2 高性能高分子的表征内容
　　上述各级结构共同决定着高分子材料的性能特点。高分子材料的高性能化可以通过在不同尺度下进行结构设计来实现。例如，通过在分子结构中引入多种杂原子、芳环或特殊官能团结构，可以调整链的刚性、柔性及反应性。在聚集态结构方面，可以通过控制结晶条件来调节材料的结晶度和有序性。另外，添加功能性填料，如导热颗粒、碳纳米管和陶瓷纤维等，可以改变材料的导热、导电和力学性能等。这些不同的结构设计方法，共同展现了高性能高分子材料结构的复杂性。
　　因此，精准表征高分子材料的各级结构与性能特点，为材料各级结构的设计提供有效反馈和指导，是推动高性能、功能化高分子材料的制备应用和升级换代的关键步骤。
　　高性能高分子材料的基本表征内容包括化学元素、分子结构、分子量与聚集态结构和材料性能等，其中化学元素表征既包括C、H、O、N、S等主要有机元素的分析测试，又包括无机非金属及金属元素的分析测试，特别是重金属等杂质元素或离子基团的分析测试。在分子结构方面，高性能高分子材料化学结构的表征内容主要包括结构单元及其官能团的原子组成、键接顺序、空间立构等分析测试。在分子量与聚集态结构方面，主要包括整条分子链的大小、分布，以及分子链聚集结构的分析测试。而设计和表征高分子材料结构的目的通常是提升材料的特定性能，并*终建立材料的结构-性能关系。要实现这一目标，需将结构表征与性能表征相结合。性能表征包括基础物理性能(如密度、溶解性、比表面积和孔径等)，以及应用物理性能(如热、力学、耐环境老化和电磁性能等)的分析测试。
　　1.3 不同领域高性能高分子材料的表征技术特点[12]
　　1.3.1 电子电气和光电领域
　　基于保护人类健康和环境的理念，对于电子电气产品及其高性能高分子材料中有毒有害成分的表征和监测已得到世界各国的重视，为控制电子电气废弃物对生态环境的污染，规范电子电气产品的材料及工艺标准，欧盟《关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指令》(RoHS)为代表的环保指令设定了某些有害物质的限量要求。RoHS 2.0(EU2015/863)将限制使用的有害物质增加到10种，包括镉、铅、汞、多溴二苯醚等。欧盟的REACH法规涉及的产品范围比RoHS指令更广，2021年7月8日起，REACH法规中高度关注物质(SVHC)清单增加至219种，要求每种SVHC含量不能超过0.1%。我国自2016年7月1日起施行的《电器电子产品有害物质限制使用管理办法》规定了在设计、生产、销售及进口过程中，应标注有害物质名称及其含量，其中铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚的限量值与RoHS指令指标一致。
　　因此，应用于电子电气和光电领域的高性能与功能化高分子材料，除针对C、H、O、N、S等主要有机元素的分析测试外，还要考虑无机及金属元素的检验检测，特别是重金属等有毒有害成分、杂质元素或离子基团的检验检测。应用于电子电气和光电领域的高性能高分子材料中铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚等成分的表征，一般根据目标物及产品的特性、含量水平等因素选择准确度和可操作性较强的表征手段。
　　在元素分析测试方面，常用的仪器设备和技术方法包括：有机元素分析仪、原子吸收光谱、原子荧光光谱、X射线荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子体(ICP)原子发射光谱及质谱联用仪(ICP-MS)，以及离子色谱仪等。对于材料中的多溴联苯和多溴二苯醚类阻燃剂、邻苯二甲酸酯类增塑剂等挥发性和半挥发性有机物，可采用气相色谱-质谱联用法(GC-MS)、高效液相色谱法(HPLC)或液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)进行定性和定量分析，必要时可采用串联质谱进行更为准确的筛查。
　　功能性高分子材料在光电领域的应用，要特别考虑杂质元素或离子基团等对高灵敏度光电产品的影响。例如，具有高导电性能的聚苯胺等导电高分子材料，以及石墨烯复合功能性高分子材料，在应用于电子电气、储能、光电转化领域时，其中的氟离子(F？)、氯离子(Cl？)、亚硝酸根离子()、溴离子(Br？)等阴离子杂质含量会直接影响材料的导电性

目录
第1章 绪论1
1.1 高性能高分子材料定义1
1.2 高性能高分子材料结构与表征内容2
1.2.1 高分子的结构特点2
1.2.2 高性能高分子的表征内容4
1.3 不同领域高性能高分子材料的表征技术特点5
1.3.1 电子电气和光电领域5
1.3.2 民生安全健康领域6
1.3.3 航天航空与国防**领域7
1.4 高性能高分子材料表征技术发展趋势8
1.4.1 多尺度表征技术相互结合8
1.4.2 计算机模拟技术日益重要9
1.4.3 多种表征手段的联合应用10
1.5 高性能高分子材料表征技术的挑战与发展需求11
1.5.1 表征技术专一适用性有待加强11
1.5.2 检测方法亟需标准化12
参考文献12
第2章 元素组成分析14
2.1 有机元素分析仪法16
2.1.1 有机元素分析仪分析原理16
2.1.2 相关标准16
2.1.3 有机元素分析仪在高性能高分子材料研究中的应用17
2.2 电感耦合等离子体原子发射光谱仪法18
2.2.1 ICP-AES分析原理18
2.2.2 ICP-AES测定方法19
2.2.3 ICP-AES在高性能高分子材料研究中的应用20
2.3 电感耦合等离子体质谱法21
2.3.1 ICP-MS分析原理22
2.3.2 ICP-MS在高性能高分子材料研究中的应用22
2.4 原子吸收光谱法23
2.4.1 AAS原理23
2.4.2 AAS测定方法23
2.5 原子荧光光谱23
2.5.1 AFS原理23
2.5.2 AFS测定方法24
2.6 X射线荧光光谱法24
2.6.1 XRF原理24
2.6.2 XRF测定方法25
2.6.3 相关标准26
2.6.4 XRF在高性能高分子材料研究中的应用27
2.7 离子色谱法29
2.7.1 IC原理30
2.7.2 IC测定方法33
2.7.3 相关标准33
2.7.4 IC在高性能高分子材料研究中的应用34
参考文献40
第3章 链结构表征43
3.1 红外光谱法44
3.1.1 红外光谱法实验原理45
3.1.2 基团红外吸收频率及其影响因素46
3.1.3 高性能高分子材料红外吸收谱图解析48
3.1.4 相关标准49
3.1.5 红外光谱法在高性能高分子材料链结构分析中的应用50
3.2 核磁共振波谱法55
3.2.1 核磁共振波谱法原理55
3.2.2 高性能高分子材料核磁的特点56
3.2.3 核磁共振氢谱解析57
3.2.4 核磁共振碳谱解析60
3.2.5 适用于链结构分析的其他原子核磁共振图谱和分析方法63
3.2.6 相关标准66
3.2.7 实例分析67
3.3 拉曼光谱法75
3.3.1 拉曼光谱法实验原理76
3.3.2 拉曼光谱谱图解析77
3.3.3 相关标准79
3.3.4 实例分析79
3.4 质谱法82
3.4.1 质谱法实验原理82
3.4.2 色谱-质谱联用分析有机化合物84
3.4.3 相关标准86
3.4.4 实例分析86
参考文献91
第4章 分子量及分子量分布表征93
4.1 凝胶渗透色谱法93
4.1.1 凝胶渗透色谱技术原理94
4.1.2 影响GPC分析的关键实验条件102
4.1.3 高性能高分子材料GPC分析的样品处理103
4.1.4 分子量测试相关标准106
4.1.5 GPC在高性能高分子材料分子量表征中的应用106
4.2 乌氏黏度计法115
4.2.1 乌氏黏度计实验方法原理115
4.2.2 黏度法测分子量相关标准117
4.2.3 乌氏黏度计法应用实例117
4.3 基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱法119
4.3.1 MALDI-TOF-MS的发展119
4.3.2 MALDI-TOF-MS方法原理120
4.3.3 MALDI-TOF-MS在高性能高分子材料分析测试中的应用122
参考文献124
第5章 聚集态结构表征126
5.1 偏光显微镜法127
5.1.1 偏光显微镜的测量原理127
5.1.2 偏光显微镜的测试方法131
5.1.3 偏光显微镜Polscope测量原理135
5.1.4 偏光显微镜应用实例137
5.2 扫描电子显微镜法140
5.2.1 SEM结构及工作原理141
5.2.2 SEM的常用概念和基本原理145
5.2.3 SEM的分类和拓展功能146
5.2.4 相关标准149
5.2.5 SEM应用实例分析150
5.3 透射电子显微镜法159
5.3.1 TEM的结构及工作原理160
5.3.2 TEM的关键参数161
5.3.3 TEM的制样162
5.3.4 TEM的应用实例分析162
5.4 原子力显微镜法167
5.4.1 AFM的结构与工作原理167
5.4.2 AFM纳米力学图谱169
5.4.3 AFM的应用实例分析172
5.5 差示扫描量热法175
5.5.1 DSC的工作原理与类型176
5.5.2 **DSC热谱图解析181
5.5.3 DSC的应用实例分析185
5.6 正电子湮没寿命谱法191
5.6.1 PALS方法原理191
5.6.2 PALS数据分析192
5.6.3 PALS的应用实例分析194
5.7 小角X射线散射法197
5.7.1 SAXS方法原理197
5.7.2 SAXS数据分析199
5.7.3 SAXS的应用实例分析201
5.8 广角X射线衍射法208
5.8.1 WAXD方法原理208
5.8.2 WAXD数据分析211
5.8.3 相关标准214
5.8.4 实例分析215
参考文献226
第6章 基本物理特性表征232
6.1 动态光散射法粒度分析233
6.1.1 DLS的工作原理233
6.1.2 DLS的仪器结构及注意事项236
6.1.3 DLS相关标准237
6.1.4 DLS在高分子表征中的应用237
6.2 比表面积及孔结构分析241
6.2.1 气体吸附法241
6.2.2 吸附等温线的分类和计算242
6.2.3 相关标准244
6.2.4 气体吸附法在高性能高分子材料表征中的应用244
6.2.5 压汞法247
6.3 密度测量250
6.3.1 表观密度250
6.3.2 堆积密度251
6.3.3 真密度253
6.4 气体透过率性能测试254
6.4.1 气体透过率测试方法原理255
6.4.2 实例分析257
参考文献260
第7章 热性能表征261
7.1 热重分析法261
7.1.1 热重分析仪测试方法原理262
7.1.2 热重*线关键温度表示法264
7.1.3 热重联用技术266
7.1.4 相关标准268
7.2 导热系数测试268
7.2.1 稳态法导热系数测试268
7.2.2 非稳态法导热系数测试270
7.2.3 相关标准271
7.3 动态热机械分析271
7.3.1 DMA测试方法原理271
7.3.2 DMA数据分析273
7.3.3 相关标准276
7.4 热膨胀系数表征277
7.4.1 热膨胀原理277
7.4.2 **顶杆法测试热膨胀系数279
7.4.3 相关标准280
7.5 热防护烧蚀评价281
7.5.1 氧-乙炔烧蚀试验方法原理281
7.5.2 氧-乙炔烧蚀试验数据分析283
7.5.3 相关标准283
7.5.4 其他模拟发动机烧蚀试验283
7.6 热性能表征方法应用实例284
参考文献310
第8章 力学性能表征313
8.1 高性能高分子材料及其复合材料力学性能的表征方法313
8.1.1 拉伸试验方法314
8.1.2 压缩试验方法318
8.1.3 弯*试验方法321
8.1.4 剪切试验方法323
8.1.5 剥离试验方法324
8.1.6 撕裂试验方法326
8.1.7 扭转测试方法326
8.1.8 断裂韧性试验方法327
8.1.9 硬度试验方法328
8.1.10 冲击试验方法331
8.1.11 疲劳试验方法332
8.1.12 蠕变松弛试验方法334
8.1.13 纳米压痕测试方法335
8.1.14 纳米划痕测试方法339
8.2 力学性能表征在高性能高分子材料中的应用339
参考文献367
第9章 耐环境性能表征368
9.1 材料老化性能评价技术368
9.1.1 高分子材料的老化现象368
9.1.2 高分子材料老化试验的主要方法375
9.1.3 相关标准385
9.1.4 高分子材料老化性能评价实例分析387
9.2 生物降解性能评价技术388
9.2.1 生物降解高分子材料389
9.2.2 生物降解塑料的降解机理390
9.2.3 生物降解性能评价方法394
9.2.4 降解过程研究方法397
9.2.5 相关标准398
9.2.6 实例分析401
9.3 热裂解分析技术404
9.3.1 热裂解分析技术原理405
9.3.2 热裂解分析仪器类型406
9.3.3 热裂解分析方法407
9.3.4 相关标准409
9.3.5 热裂解分析技术应用实例410
9.4 全生命周期评价技术416
9.4.1 高分子材料全生命周期评价技术介绍416
9.4.2 高分子材料力学加速老化及老化产物捕获装置介绍419
9.4.3 微塑料老化产物的检测423
9.4.4 橡胶轮胎老化加速试验及老化降解产物收集与分析实例424
参考文献425
第10章 光、电性能及其他表征430
10.1 光学性能表征430
10.1.1 分光光度计法432
10.1.2 阿贝折射仪法434
10.1.3 荧光光谱仪法436
10.1.4 高性能高分子材料光学性能表征实例437
10.2 电磁性能表征450
10.2.1 四探针法451
10.2.2 矢量网络分析法453
10.2.3 高性能高分子材料电磁性能表征实例455
10.3 原子力-红外联用技术458
10.3.1 AFM-IR的工作原理459
10.3.2 AFM-IR在高性能高分子材料表征中的应用461
10.4 国内大科学装置发展及在高性能高分子材料中的应用463
10.4.1 我国大科学装置的发展464
10.4.2 中子散射法464
10.4.3 同步辐射散射技术475
参考文献477
关键词索引481