性質測試儀器

2.6.1 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)

掃描式電子顯微鏡外觀如圖 2.6.1 所示，主要由電子槍(electron gun)系統、電 磁透鏡組(magnetic lens)、掃描線圈(scan coil controls)、樣品室(specimen)為主體，

並附有真空幫浦系統、偵測系統與影像紀錄系統[107]。

圖 2.6.1 掃描式電子顯微鏡裝置圖

http://science.howstuffworks.com/scanning-electron-microscope2.htm

其工作原理主要是利用外加負電壓讓電子槍之陰極因溫度上升放出熱電子，

並藉由陽極的吸引使熱電子由陽極開孔底端射出形成具高能量之電子束，而後透 過電磁透鏡控制其路徑方向將齊聚焦於試片上，再經由掃描線圈偏折電子束，令 其能夠在試片表面規則地做二度空間的來回掃瞄[107]。

當電子束與樣品作用時，除了產生二次電子(secondary electron)、背向散射電 子(backscattered electron)、歐傑電子(Auger electron)、穿透電子(transmitted electron) 等微粒子外，也有特徵 X 光及陰極螢光(Cathode luminescence)等能量的釋出，如圖 2.6.2 所示[107]。

圖 2.6.2 電子束與樣品作用產出

在一般的掃瞄式電子顯微鏡偵測系統上，主要偵測電子束進入樣品後激發所 產生較低能量的樣品淺層(50-500Å 深度)之二次電子，以及於入射電子與樣品電子 碰撞後逃離樣品表面(約 5000Å 深度)產生之較高能量的背向散射電子(反射電子)。

透過訊號放大處理，一方面藉由淺層二次電子影像觀察樣品表面起伏狀態，另一 方面較深層的背向散射電子則能夠使樣品成像能夠更加立體，另外，藉由特徵 X 光的偵測可做材料元素成分分析，真空系統則可以避免電子束與空氣中粒子碰撞 造成額外的干擾[107]。在本研究中，吾人使用掃瞄式電子顯微鏡藉以解析水膠材 料的孔洞尺寸狀態，並可知其是否為開放式或閉鎖性孔洞材料。

2.6.2 核磁共振光譜(Nuclear magnetic resonance spectroscopy)

核磁共振光譜是目前最為強力而廣泛地運用在有機化合物之結構分析工具之 一，在部分較簡易的情況下，可以其作為化合物結構的單一分析工具，然而在較 複雜的分子中，則須合併紅外光譜(IR spectroscopy)及質譜儀(mass spectroscopy)共 同解析。當原子核(nucleus)中有單數的質子(proton)或中子(neutron)時，其擁有可視 為帶有電荷旋轉球而產生磁矩(magnetic moment)的核自旋(nuclear spin)之量子力學 性質。核磁共振光譜係以利用電磁輻射(electromagnetic radiation)與¹H、¹³C、¹⁵N、

19F、³¹P 等原子核(nuclei atom)的磁矩(magnetic moment)相互作用得出化合物結構，

目前以氫譜和炭譜最為廣泛使用[102]。

在氫譜中的分析中，當氫原子中的質子受到外在磁場作用，其磁矩依其自旋 方向和磁場互相作用，而如圖 2.6.3 及圖 2.6.4 所示，外加磁場會使質子分成α、

β自旋狀態。當質子大多數位處較低能階的α自旋狀態，若其吸收電磁輻射能量 剛好等於兩者能量差時，質子會躍遷至β自旋狀態，此時即為所謂的核磁共振 (nuclear magnetic resonance)[102]。

圖 2.6.3 磁矩狀態(左)磁矩自然狀態(中)受外加磁場影響(右)磁矩能階差[102]

在固定的磁場強度中，一般會認為所有核所吸收的輻射頻率會相等，然而因 原子核鍵結所造成周圍的電子密度(electron density)相異而以不同的強度略為抵消 外加磁場(diamagnetism)，因此使個別鍵結位置之氫中質子因屏蔽程度相異產生不 同的能階差。如圖 2.6.3 所示，核磁共振光譜裝置主要由低溫超導體維持強大的外 加磁場，並將電磁輻射至已溶進具氘原子溶劑的樣品上，透過樣品中化合物內氫 原子躍遷反回基態所產生的訊號做傅立葉轉換(Fourier-transform)，以分析訊號中氫 和炭所在的分子鍵結位置[102]。

圖 2.6.4 核磁共振光譜裝置[102]

2.6.3 流變儀(Rheometer)

流變儀儀器基本構造如圖 2.6.5 所示，由記錄旋轉量的光學編碼器(optical encoder)、提供動力的馬達、改變轉速的空氣軸承(air bearing)、連接測量幾何體的 桿(shaft)、測量幾何體(geometry)、可變溫的 Peltier 平台等所構成，並連接電腦軟 體做數據分析[108]。一般可分為兩種模式操作，分別為控制應變(controlled-strain) 以及控制應力(controlled-stress)形式，已知提供的剪切應力或應變並藉由量測力、

轉矩、壓力、角速度等性質，得出不同頻率或溫度下之動態的儲存模數(storage modulus)、損失模數(loss modulus)等數據。

圖 2.6.5 流變儀基本構造

http://lipidlibrary.aocs.org/Biochemistry/content.cfm?ItemNumber=40883#instrument

典型的測量幾何體分成三種形狀，如圖 2.6.6 所示：平行板(parallel plate)、錐 形與板(cone and plate)、同軸心圓筒(concentric cylinder)，以適用於不同種類的樣品。

在樣品區分上，同軸心圓筒的測量幾何體通常使用於低黏度之液體，錐形與板之 測量幾何體則可用於液體與顆粒小於 5 微米之分散液(dispersions)，而平行板的測 量幾何體則用於凝膠、柔軟固體、膏狀物(paste)與聚合物熔體(polymer melt)等樣品 [108]。

圖 2.6.6 測量幾何體

http://lipidlibrary.aocs.org/Biochemistry/content.cfm?ItemNumber=40883#instrument

於理想彈性的材料(固體)中，受外力後可瞬間達到應變平衡而不與時間有關，

其應力(stress)與應變量(strain)相關，應變在外力移除後可立即回復，為一可逆之過 程，另一方面，在理想黏性的材料(液體)中，一旦施加外力於上，其變形會隨時間 發展，呈現應力與應變率相關的情形，移除外力後永久變形而不回復。然而高分 子 材 料 在 正 常 的 應 力 作 用 下 反 應 介 於 固 體 與 液 體 之 間 ， 為 稱 作 具 有 黏 彈 (viscoelastic)性質之材料，此性質不只受應力所影響，也與時間、溫度、頻率有一 定關係存在，而可透過流變儀作動態分析獲得。流變儀常利用週期性的振盪方式(如 正旋波)試驗於材料上，觀察其響應情形，得出之剪切動態機械性質以形變大小的 應變與受力大小比之模數(modulus，符號標示為 G)作為數據分析，並使用代表彈 性特性之儲存模數(storage modulus, G’)與代表黏性性質之損失模數(loss modulus, G”)為指標。在施予一正旋波的應力或應變後，由簡諧運動公式的換算，彈性體因 應力與應變同相而產生響應無相差的情形，於黏性體中因造成的應變不可回溯而 有 90 度之相差，黏彈體之相位差(δ)則介於兩者之間(即 0-90 度)[108]。

圖 2.6.7 (左)響應相位差(右)儲存與損失模數表示

http://www1.lsbu.ac.uk/water/rheology.html