纤维结晶度X射线衍射检测

一、检测核心原理：晶体结构的 “指纹识别”

X 射线衍射基于布拉格方程（虽不写公式，但原理需通俗解释）：当 X 射线（波长 λ≈0.1nm）照射纤维时，晶体区的规则分子排列会使 X 射线发生相干散射，在特定角度（2θ）形成衍射峰；而非晶体区的无序排列仅产生漫散射 “包”。

通过分析衍射峰强度与漫散射强度的比例，可量化纤维的结晶程度 ——结晶度越高，衍射峰越尖锐，漫散射背景越低。

二、样本制备：适配不同纤维形态的预处理

纺织纤维（如棉、涤纶长丝）步骤：

取 5-10 根纤维（长度≥1cm），用乙醇超声清洗 10min（去除表面油污），自然晾干后平行排列，用透明胶带固定于样品架（确保纤维轴向与入射 X 射线垂直）；

若为短纤维（如棉絮），需梳理成均匀薄片（厚度 0.5-1mm），压实后装入玻璃样品槽（避免孔隙影响散射）。

注意：卷曲纤维需轻轻拉伸至自然伸直状态，防止取向度干扰结晶度计算。

薄膜 / 非织造布纤维材料

处理：裁剪 1×1cm² 样品，直接粘贴于零背景硅片上（若样品过厚，需用刀片削至 50-100μm 厚度，避免 X 射线穿透不足）。

三、XRD 检测流程：仪器参数与操作要点

仪器配置（以粉末衍射仪为例）

光源：Cu Kα 射线（波长 0.154nm），管电压 40kV，管电流 40mA（保证足够辐射强度）；

扫描范围：2θ=5°-50°（覆盖多数纤维晶体的衍射角，如纤维素 I 的 (101) 晶面衍射在 2θ≈22.6°）；

扫描速度：0.02°/s（慢扫描提升峰分辨率，快扫描适用于初步筛查）。

关键操作步骤

校准：检测前用标准物质（如 α-SiO₂）校准 2θ 角度，确保峰位误差＜0.1°；

样品对中：通过光学显微镜调节样品位置，使 X 射线光斑（直径 1-2mm）完全覆盖纤维区域；

背景扣除：采集空样品架的衍射图，用于后续数据处理时扣除空气散射与仪器噪声。

四、结晶度计算：基于衍射图谱的定性与定量分析

图谱解析（以聚酯纤维为例）

晶体特征峰：2θ=17.2°（(110) 晶面）、20.3°（(200) 晶面），峰形尖锐且对称；

非晶漫散射：2θ=19° 附近出现宽化的 “包” 状峰，强度随结晶度降低而增强。

半经验法计算结晶度（Segal 法）

步骤：

在衍射图上绘制非晶基线（连接 2θ=5° 和 50° 的最低背景点，形成平滑曲线）；

计算晶体衍射峰总面积（峰高 × 半峰宽，或用积分工具）S_cryst，以及非晶漫散射面积 S_amorph（基线以上部分）；

结晶度（%）= [S_cryst / (S_cryst + S_amorph)] × 100%（举例：某涤纶纤维 S_cryst=8500，S_amorph=3200，结晶度 = 8500/(8500+3200)≈72.6%）。

注意事项

取向影响：高度取向纤维（如芳纶）的衍射峰可能分裂（如 (002) 晶面衍射移至 2θ≈21°），需用极图分析校正；

多晶型干扰：纤维素存在 I 型和 II 型晶型（衍射峰位置不同），需先通过峰拟合区分晶型再计算结晶度。

五、典型纤维的结晶度特征与应用案例

天然纤维

棉纤维：结晶度约 70%-80%，其 (101) 晶面衍射峰强度可作为成熟度指标（成熟棉纤维结晶度更高，峰更强）；

羊毛纤维：结晶度仅 30%-40%，因其结构中存在大量无定形区（角蛋白螺旋链间交联少）。

合成纤维

聚酯纤维（PET）：未拉伸时结晶度约 30%，经热拉伸后可提升至 50%-60%（衍射峰显著锐化，纤维强度增加）；

聚乙烯纤维（PE）：结晶度高达 80%-90%，其 (110) 晶面衍射峰半峰宽＜0.2°（晶体尺寸＞100nm），赋予纤维超高模量（如 Dyneema 纤维）。

应用场景

纺织工艺优化：锦纶 6 纤维在纺丝后需进行热定型（180℃处理 30min），结晶度从 45% 提升至 55%，可减少织物洗后收缩率（从 8% 降至 3%）；

材料失效分析：老化的聚丙烯纤维结晶度会下降（从 65% 降至 50%），因氧化导致分子链断裂，非晶区增加，表现为纤维变脆、断裂强度降低。

六、技术扩展：原位 XRD 与联用技术

原位 XRD 监测结晶过程：将纤维样品置于加热台（-100℃至 300℃），在拉伸或退火过程中实时采集 XRD 图谱，如研究聚乳酸（PLA）纤维在 120℃等温结晶时，结晶度随时间从 15%（0min）增至 40%（60min），(200) 晶面衍射峰逐渐增强；XRD 与热分析联用（XRD-TGA）：同步检测纤维结晶度与热稳定性，如碳纤维在碳化过程中（1000℃以上），石墨晶体衍射峰（2θ≈26.5°）逐渐增强，结晶度从 20% 提升至 60%，同时热重曲线显示残余碳含量＞95%。

七、常见问题与解决方案

衍射峰太弱（如再生纤维素纤维）：

原因：结晶度低（＜30%）或样品量不足；

方案：增加样品厚度至 1mm，或采用面探测器（如 MAR345）提高信号收集效率。

基线漂移严重：

原因：X 射线管功率不稳定或样品含微量金属杂质；

方案：每次检测前预热仪器 30min，并用 10% 硝酸浸泡样品架去除氧化层。

如需针对特定纤维（如纳米纤维素、玄武岩纤维）的检测参数优化，可补充说明纤维类型，以便调整扫描范围与数据处理方法。