| 标准编号 | GB/T 45469-2025 (GB/T45469-2025) | | 中文名称 | 微束分析 透射电子显微术 聚合物复合材料超薄切片制备方法 | | 英文名称 | Microbeam analysis - Transmission electron microscopy - Preparation methods of ultrathin section of polymer composites | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | G04 | | 国际标准分类 | 71.040.99 | | 字数估计 | 18,199 | | 发布日期 | 2025-03-28 | | 实施日期 | 10/1/2025 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 45469-2025: 微束分析 透射电子显微术 聚合物复合材料超薄切片制备方法
ICS 71.040.99
CCSG04
中华人民共和国国家标准
微束分析 透射电子显微术
聚合物复合材料超薄切片制备方法
2025-03-28发布
2025-10-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 发 布
目次
前言 Ⅲ
引言 Ⅳ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 样品准备 2
5 超薄切片制备 3
6 超薄切片试样的透射电镜检查 6
附录A(资料性) 常用试剂的配方 7
附录B(资料性) 聚合物的玻璃化转变温度 9
参考文献 11
前言
本文件按照GB/T 1.1-2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规
定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由全国微束分析标准化技术委员会(SAC/TC38)提出并归口。
本文件起草单位:浙江大学、复旦大学、上海交通大学、江苏雷博科学仪器公司。
本文件主要起草人:洪健、王华、张晓敏、赵晓欢、周广荣、王戈、郑希、徐颖、夏秋华。
引 言
应用透射电子显微镜观察聚合物复合材料,超薄切片样品制备是关键。聚合物材料种类繁多,物理
化学性质各异,与各种增强材料和填充材料复合而成的多组分、多相体系,具有优异的力学及其他性
能,但给超薄切片制备带来了困难。迄今为止,聚合物复合材料的电镜超薄切片样品制备没有统一的技
术标准,直接影响聚合物复合材料的显微结构研究。为了规范聚合物复合材料的电镜超薄切片制备方
法,特制定本文件。
微束分析 透射电子显微术
聚合物复合材料超薄切片制备方法
1 范围
本文件规定了用于透射电子显微镜观察聚合物复合材料的超薄切片样品制备方法及技术规范。
本文件适用于常温或冷冻条件下能进行超薄切片的聚合物复合材料制样。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文
件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于
本文件。
GB/T 30544.4-2019 纳米科技 术语 第4部分:纳米结构材料
3 术语和定义
GB/T 30544.4-2019界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
聚合物 polymer
由一种或几种结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量化合物。
3.2
聚合物复合材料 polymercomposite
以聚合物为基体,与各种增强材料和填充材料复合而成的多组分、多相体系,具有优异的力学性能
以及其他性能。
3.3
纳米尺度 nanoscale
处于约1nm~100nm的尺寸范围。
注1:本尺寸范围通常、但非专有地表现出不能由较大尺寸外推得到的特性。对于这些特性来说,尺度上、下限值
是近似的。
注2:本定义引入下限(约1nm)的目的是避免在不设定下限时,单个或一小簇原子被默认是纳米物体或纳米结构
单元。
[来源:GB/T 30544.4-2019,2.1]
3.4
纳米材料 nanomaterial
任一外部维度、内部或表面结构处于纳米尺度的材料。
注:本通用术语包括纳米物体和纳米结构材料。
[来源:GB/T 30544.4-2019,2.3]
3.5
纳米复合材料 nanocomposite
由两个或多个相分离的材料组成的混合物固体,其中一相或多相为纳米相。
[来源:GB/T 30544.4-2019,3.2]
3.6
至少有一个主要相为聚合物相的纳米复合材料。
[来源:GB/T 30544.4-2019,3.2.1]
3.7
玻璃化转变 glasstransition
非晶态聚合物的高弹态与玻璃态之间的转变。
3.8
Tg
非晶态聚合物由高弹态转变为玻璃态或玻璃态转变为高弹态所对应的温度。
3.9
超薄切片 ultrathinsection
采用超薄切片机切成的厚度为60nm~150nm的试样薄片。
3.10
冷冻超薄切片 cryo-ultrathinsection
采用冷冻超薄切片机在液氮制冷温度下切成的厚度为60nm~150nm的试样薄片。
4 样品准备
4.1 概述
根据检测研究的需要确定聚合物复合材料样品的取样区域,采用切割、打磨、包埋等方法进行取
样,并在取样过程中始终保持材料结构不发生改变。然后进行修块、固定硬化和染色等。
4.2 不同种类样品的准备
4.2.1 块状样品:通常成型的聚合物复合材料用品、部件或实验制备的块状材料,取样后直接分割、打
磨,制成适合切片机样品夹固定的形状。较小或较薄的样品,需要借助支撑物固定在切片机样品夹上。
4.2.2 粒料或母粒样品:用黏接剂把聚合物基纳米复合材料的粒料或母粒黏接在样品柱上,再进行修
块。对于热塑性聚合物,在不改变样品内部结构的前提下,也可以通过加温熔融,制成适合切片机样品
夹固定的形状。
4.2.3 薄膜和粉末样品:对于聚合物基纳米复合材料的薄膜和粉末样品,或者固定在样品夹上可能会
变形的样品,应包埋在不与试样发生化学反应的包埋剂中。常用Epon812环氧树脂或其他包埋剂。对
于包埋剂加温聚合可能受损的聚合物材料,可以用常温下聚合的包埋剂,如AB胶。
4.3 修块
将上述制备好的样品安装紧固在超薄切片机样品夹上,在体视显微镜下用单面刀片进行手工修
块,或者使用修块底座在超薄切片机上用单面刀片进行手工修块,有条件的情况下也可以使用修块机进
行修块。样品块端部通常修成金字塔形,其端面为矩形或梯形,端面区域大小约0.5mm×0.5mm,对
于切片非常困难的样品,可将端面区域减小到0.1mm×0.1mm,甚至更小。为了防止切片黏连在样品
切面或刀口上,可以将端面区域修成上尖下平的屋顶形。
4.4 固定硬化和染色
4.4.1 概述
室温下软质的聚合物材料以及含有软质成分的聚合物复合材料在超薄切片之前进行固定硬化,并
进行电子染色,可以通过与四氧化锇(OsO4)或四氧化钌(RuO4)反应产生交联来实现。不同的聚合物
材料还可采用其他选择性染色程序。常用硬化/染色剂配方见附录A中的A.2。
4.4.2 硬化/染色剂
4.4.2.1 四氧化锇:能与聚合物中的双键起反应,适用于各种橡胶、聚丁烯、高抗冲聚苯乙烯、丙烯腈-丁
二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、含OH基聚合物等材料的固定硬
化和染色。
4.4.2.2 四氧化钌:能染色大多数聚合物,但不与化学物质直接反应,而只形成某种积累,适用于聚碳酸
酯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚醚、聚乙烯/聚氨酯共混物、聚乙烯/尼龙混合物等材料的固定硬
化和染色。
4.4.2.3 其他硬化/染色剂:对于不同的聚合物成分,还可以采用氯磺酸、磷钨酸、醋酸铀等进行预处理
染色。氯磺酸可用于聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃材料的预处理,结合四氧化锇或者醋酸铀染色,在一定程
度上能硬化样品,可在常温下进行超薄切片。磷钨酸主要用于对尼龙类聚合物材料进行电子染色。
4.4.3 固定硬化和染色方法
4.4.3.1 样品块固定硬化和染色:样品块宜小于1mm×1mm×5mm。在通风橱中的密闭容器内放置
样品块、四氧化锇或四氧化钌染色剂(晶体或溶液),用四氧化锇或四氧化钌的蒸气熏染聚合物样品
块,或者用四氧化锇或四氧化钌溶液直接浸染聚合物样品块,起到固定硬化兼电子染色的作用。块状样
品通常需染色10h~48h。染色后的样品块用蒸馏水冲洗至少1h。
4.4.3.2 超薄切片染色:在通风橱中的密闭容器内放置超薄切片、四氧化锇或四氧化钌染色剂(晶体或
溶液),用四氧化锇或四氧化钌的蒸气熏染聚合物超薄切片。四氧化锇熏染切片时间一般为15min~
60min,四氧化钌蒸气对聚合物超薄切片染色作用迅速,熏染时间宜控制在数秒钟至数分钟。对于金属
或无机非金属纳米材料改性的单一聚合物基纳米复合材料样品,一般不需要进行染色处理。
4.4.3.3 超薄切片双重染色:先用四氧化锇熏染,再用四氧化钌熏染。双重染色能显示共混物和多相聚
合物结构细节之间的成分反差。适用于聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)共混物、聚碳酸酯/
ABS混合物、ABS/尼龙混合物、ABS/热塑性聚氨酯、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)/聚甲基丙烯酸甲酯
(PMMA)混合物、HIPS/聚乙烯混合物、HIPS/聚丙烯混合物、聚苯乙烯/聚乙烯混合物、聚乙烯/橡胶
混合物等共混物和嵌段共聚物复合材料。
4.4.3.4 氯磺酸-四氧化锇/醋酸铀染色:先用氯磺酸的蒸气或溶液预处理样品块数小时至数天,然后用
四氧化锇或醋酸铀进行样品块电子染色,使样品硬化至满足切片硬度要求,在常温下进行超薄切片。
4.4.3.5 磷钨酸染色:将有超薄切片试样的载网膜面向下漂浮在2%磷钨酸水溶液(pH3.5)液滴上,置
于50℃烘箱内染色30min,取出后用双蒸馏水滴洗后干燥。
5 超薄切片制备
5.1 切片方式选择
对于常温下不同软硬度的聚合物复合材料样品选择用超薄切片机或冷冻超薄切片机进行切片
(图1)。硬质的聚合物复合材料通常在25℃±5℃下以湿刀法或干刀法进行超薄切片(图2)。湿刀法
切片适用于大多数聚合物复合材料,一些无法漂浮在水面上或者遇水分解的样品材料则需要干刀法切
片。软质或韧性的聚合物以及含有软质或韧性成分的聚合物复合材料,其玻璃化转变温度通常低于
0℃,需要在液氮制冷温度下才能充分硬化,用冷冻超薄切片机在低于玻璃化转变温度下以干刀法进
行超薄切片。玻璃化转变温度接近常温的聚合物复合材料,也可在冷冻状态下硬化样品,获得较理想的
冷冻超薄切片试样。如尼龙的Tg大多为40℃~50℃,韧性强,采用深度冷冻超薄切片有利于改善切
片质量。对于一些容易被压缩变形的材料,采用超声波震荡刀进行切片可以改善超薄切片的质量。附
录B为一些常见高分子聚合物的玻璃化转变温度。
图1 聚合物复合材料超薄切片流程图
5.2 常温超薄切片制备
5.2.1 开机:按照仪器操作规程开启超薄切片机。
5.2.2 样品安装:将修好的样品块安装在样品夹上紧固。
5.2.3 刀的选择和安装:根据不同的聚合物复合材料样品,采用30°~45°刀角的玻璃刀或钻石刀。湿刀
法切片采用带水槽的玻璃刀或钻石刀,干刀法切片采用无水槽的玻璃刀或钻石刀。玻璃刀前角设定为
4°~6°,钻石刀前角按每把刀的标出值设定。
5.2.4 湿刀法切片和捞片:用带水槽的玻璃刀或钻石刀切片,根据漂浮在水槽液面上切片的干涉色判
断厚度,通常为60nm~100nm(银灰色至银白色),对于切片困难的聚合物复合材料也可以厚到
150nm(金黄色)。用电镜载网以下贴法或上捞法捞取超薄切片(图3),也可以用捞样环在水槽液面上
捞片,再转移到电镜载网上。
5.2.5 干刀法切片和捞片:用无水槽的玻璃刀或钻石刀切片,用睫毛针将切片拨到覆膜载网上;或者以
捞样环中的水滴在刀口蘸取切片,再转移到覆膜载网上(图4)。对于一些始终无法在支持膜上贴平的
切片可加盖一张载网或者用双联载网夹持压平。干刀法切片的厚度无法通过干涉色判断,只能根据切
片机上的厚度设定值进行估值。对于那些难以与支持膜贴附的聚合物复合材料切片,需预先对载网支
持膜做亲水化处理,以增强支持膜对切片的吸附性。
5.2.6 关机:切片结束后,卸下切片刀和样品块,复位样品臂,关闭照明灯光,关闭切片机电源。
a) 湿刀法切片 b) 干刀法切片
图2 湿刀法和干刀法切片示意图
a) 下贴法捞片 b) 上捞法捞片
图3 下贴法和上捞法捞片示意图
a) 切片直接拨到载网上 b) 用捞样环水滴蘸取切片转移到载网上
图4 干刀法切片捞片示意图
5.3 冷冻超薄切片制备
5.3.1 开机和预冷:按照仪器操作规程开启冷冻超薄切片机,加注液氮,根据样品性质,分别将样品夹
温度、刀台温度、冷冻室温度调至目标温度。
5.3.2 样品安装:将修好的样品块装在冷冻室内的冷冻样品夹上紧固。
5.3.3 刀的安装与更换:将新制的两把玻璃刀或钻石刀装在刀架上,再安装在冷冻室内的刀台上。更
换新刀时应取出刀架,升温并烘干,除霜后再装新刀。
5.3.4 切片温度选择:不同低温下样品块的硬度有所不同,宜根据聚合物复合材料中所含聚合物的最
低Tg设定切片温度。切片温度通常设置为Tg以下50℃~60℃,温度最低可设定至-160℃。可根
据低温下样品的实际切片性能调整样品夹、刀台、冷冻室的温度,通常三者温度相同。也可以将刀台温
度设置高于样品夹温度10℃~20℃,对于某些样品也可以将刀台温度设置低于样品夹温度。
5.3.5 除静电:在切片开始前,打开切片机附带的抗静电装置,电极距离样品块约2cm,根据不同聚合
物材料,调节电极的电流强度和电极与样品块的间距,以消除超薄切片过程中产生的静电。
5.3.6 干刀法切片和捞片:用无水槽玻璃刀或钻石刀切片,切下的超薄切片附着在刀刃附近,用载网覆
膜面蘸取少量纯乙醇,膜面朝下快速贴取切片;或者用睫毛针将切片直接拨到载网上。当切片温度高
于-50℃的情况下,也可以用捞样环中的乙醇、50%二甲基亚砜(DMSO)或1%的蔗糖液滴蘸取切
片,用水洗掉溶剂后再转移到覆膜载网上。
5.3.7 关机:切片结束后,卸下样品块,复位样品臂,关闭照明灯光,打开冷冻室加热开关,待冷冻室内
霜和水分全部蒸发完毕,关闭切片机电源。
6 超薄切片试样的透射电镜检查
按照透射电镜的操作规程开机,调整仪器至最佳工作状态。选择合适的电镜加速电压,在放大倍率
1500倍~20000倍下抽样预检超薄切片试样的厚度及质量(切片完整性、相结构反差,有无褶皱、污染
等缺陷),观察聚合物的相结构或纳米材料颗粒在聚合物中的分布状况,图像聚焦后用相机记录并储存。
使用冷阱防污染装置可减少电子束对聚合物材料的辐射损伤及镜筒污染。对某些电子束敏感的聚合物
复合材料试样,可使用冷冻样品杆在< -100℃的低温下进行检查观察。
附 录 A
(资料性)
常用试剂的配方
A.1 Epon812环氧树脂包埋剂(Luft配方,1961)
A液 Epon812 62mL
DDSA(十二烷基琥珀酸酐) 100mL
B液 Epon812 100mL
MNA(甲基内次甲基二甲酸酐) 89mL
按一定比例将A液和B液混合在一起,再逐滴加入1.5%的加速剂DMP-30(2,4,6-三甲氨基甲基
苯酚),边加边搅拌。混合后的包埋剂要充分搅拌20min~30min,驱除气泡,否则聚合后的包埋块硬
度不均匀,无法切片。上述配方若改变A液与B液的比例,则可调节包埋块硬度,A液多则软,B液多
则硬。此比例冬季为1∶4,夏季为1∶9。为了配制方便,也可以把配制包埋剂的体积比换算成重量比
(表A.1)。包埋样品在37℃、45℃、60℃下分别聚合12h、12h、24h,或直接在60℃下聚合48h。
此包埋剂在25℃下黏度低于200mPa·s,对湿度要求严格,应在干燥器中保存。聚合后的包埋块
也应保存于干燥器中。
表A.1 环氧树脂Epon812包埋剂配制表
A液∶B液 1∶4 1∶6 1∶9
配制剂量/g 10 20 10 20 10 20
Epon812/g 5.03 10.06 5.11 10.22 5.16 10.32
DDSA/g 1.09 2.18 0.77 1.54 0.54 1.08
MNA/g 3.88 7.76 4.12 8.24 4.30 8.60
DMP-30/g 0.15 0.30 0.15 0.30 0.15 0.30
A.2 硬化/染色剂配方
A.2.1 2%四氧化锇染色液
将装有四氧化锇晶体的安瓿(0.5g)洗去标签,并洗净安瓿外壁上的有机物质。用小砂轮划割安
瓿,放入洁净的棕色试剂瓶内,加上25mL双蒸馏水,用洁净玻璃棒捣破安瓿。或者手握用纱布包裹的
安瓿瓶一端,将划割过的一端朝下,以棕色瓶口为支点将其掰断,快速盖上瓶盖,用封口膜将瓶口密
封,贴上标签并用黑纸包裹,避光保存。四氧化锇具有强氧化性,对于操作者的呼吸道黏膜、眼角膜等均
可产生刺激性损伤,在溶液配制和使用时,都应在通风橱中进行操作,要特别注意操作安全。
A.2.2 0.5%四氧化钌染色液
由于四氧化钌极易氧化,需要将市售的0.5% 四氧化钌溶液分装于安瓿中,-20℃冰箱内冻存。
临使用前打开安瓿,置于通风橱中密闭容器内熏染样品,一次性使用。
A.2.3 氯磺酸染色液
氯磺酸为无色液体,具有强氧化性,遇水剧烈反应,应在通风橱中密闭操作。
A.2.4 2%磷钨酸染色液
称取1.0g磷钨酸,用50mL双蒸馏水配制成2%的水溶液(pH3.5),过滤后4℃下保存。
A.2.5 醋酸铀染色液
用双蒸馏水配制1%~3%的饱和醋酸铀染色液(pH4.2),室温下避光保存。
附 录 B
(资料性)
聚合物的玻璃化转变温度
表B.1为一些常见高分子聚合物的玻璃化转变温度。
表B.1 一些常见高分子聚合物的玻璃化转变温度
序号 高分子聚合物 玻璃化转变温度Tg/℃
2 聚乙烯,Polyethylene(PE) -68
3 聚丙烯,Polypropylene(PP) -10
8 聚全氟乙丙烯,Fluorinatedethylene-propylene(FEP) 30
14 聚4-甲基-1-戊烯,Poly(4-methyl-1-pentene)(PMP) 29
21 聚丙烯酰胺,Polyacrylamide(PAM) 165
23 聚碳酸酯,Polycarbonate(PC) 149
26 聚苯乙烯,Polystyrene(PS) 100
29 聚氨酯,Polyurethane(PU) -40
表B.1 一些常见高分子聚合物的玻璃化转变温度 (续)
序号 高分子聚合物 玻璃化转变温度Tg/℃
32 聚砜,Polysulfone(PSF) 190
37 聚醚酰亚胺,Polyetherimide(PEI) 210~215
40 聚1-丁烯,Poly-1-butene(PB-1) -24
47 乙基纤维素,Ethylcelulose(EC) 43
48 聚己内酰胺(尼龙-6),nylon6(PA6) 50
49 聚癸内酰胺(尼龙-10),nylon10(PA10) 42
50 聚十一内酰胺(尼龙-11),nylon11(PA11) 45
51 聚十二内酰胺(尼龙12),nylon12(PA12) 42
52 聚己二酰己二胺(尼龙-66),nylon6/6(PA66) 57
53 聚癸二酰己二胺(尼龙-610),nylon6/10(PA610) 40
54 顺式-1,4-聚异戊二烯(天然橡胶),Naturalrubber(NR) -72
55 反式-1,4-聚异戊二烯(古塔橡胶),Gutarubber -68
注:表B.1中的玻璃化转变温度引自参考文献[2]、[4]、[5]及其他资料。
参 考 文 献
[1] 陈利.切片技术在聚合物材料研究中的应用[J].山......
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