原位SAXS在结构演变中的应用

2026-05-09 09:34:02 安徽国科仪器科技有限公司

X射线小角散射（SAXS）是一种用于解析纳米尺度（1–600nm）结构信息的重要表征手段，广泛应用于高分子材料、纳米材料及软物质研究。

如果说常规静态SAXS看的是特定状态下纳米级的“颗粒”与“孔隙”，那么SAXS与原位测试装置的联用，看的就是动态外界刺激下的“结构变迁”。它能够精确捕捉材料在外部条件变化时1–600nm尺度内的结构响应，在深入解析结晶动力学、相变机制及应变诱发形变机理中发挥着不可替代的作用。构领

SAXS与原位环境装置联用的具体表现

揭示热诱导结晶与相变动力学

高低温热台

高分子材料在热处理过程中的微观结构演变极大地影响了其加工性能与热稳定性。但在传统的非原位测试中，快速的微观相变往往难以被捕捉。Jianguo Zhao等人利用原位 SAXS/WAXS 技术结合变温热台，研究了预拉伸生物基聚（2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯）（PEF）薄膜在后热处理（Post-heating）过程中的取向结晶机制与相变动力学^[1]。

图 1 预拉伸样品在变温热台加热过程中的原位 SAXS/WAXS 图谱演变

如图1所示，通过解析原位升温SAXS/WAXS 的二维图谱，可以清晰地观测到材料在特定温度区间内，从微纤晶体向取向片晶（oriented lamellae）生长的动态演化过程。

在本研究中，原位变温SAXS/WAXS主要用于确认聚合物在热处理下微观取向与结晶的演化过程，弥补了常规DSC无法观测纳米周期性结构的不足。研究发现，通过原位热台精确控制热处理的温度，可以显著调控薄膜内纳米级片晶的生长。原位SAXS技术有力地证实了受限链段的构象转变，这种热处理工程策略显著提高了生物基包装材料的结晶度与尺寸稳定性。

追踪多尺度微观结构与应变畸变

室温拉伸装置

为了提高薄膜的宏观力学性能，在聚合物中引入特定的初始取向结构是工业界的常用策略。但是拉伸应变诱发的纳米级微观结构变形过程极为迅速且复杂，常规非原位手段难以敏锐探测。该工作中，Liangbin Li团队的Jean Claude Habumugisha等人利用原位SAXS/WAXS技术搭配单轴拉伸装置，研究了具有不同初始取向度的等规聚丙烯（iPP）薄膜在形变过程中的结构微变与片晶滑移效应^[2]。

图 2 具有不同初始取向的聚丙烯薄膜在拉伸条件下的原位 SAXS/WAXS 图像

如图2所示，通过对比不同应变下的散射数据，可以敏锐捕捉到特征散射峰的形貌转化（如赤道流线斑向四点图谱的演变）。说明不同初始取向结构的薄膜在拉伸应力场下经历了截然不同的应力诱导相变与片晶重排路径。

为进一步阐明初始取向与力学变形机制的内在联系，进行了系统的结构分析。对不同取向样品的观察分析表明，低取向薄膜在拉伸时主要发生片晶滑移与应力诱导非晶化；而当初始晶格结构调控至高取向时，则表现出特异的微屈曲变形现象。因此，原位拉伸SAXS能够敏锐捕捉单轴应力引发的纳米尺度片晶破坏与重组。

原位追踪多物理场耦合动力学

全变温拉伸原位装置

高分子薄膜在工业加工中经常经历高温拉伸等多物理场耦合过程。温度与应力场的共同作用会显著改变晶体的破坏与重构路径，而常规的非原位测试无法实时捕捉这种瞬态演化。该工作中，Liangbin Li团队的Zheng Huang 等人利用原位SAXS/WAXS技术配合变温拉伸装置，研究了含甘油的聚乙烯醇（PVA）凝胶薄膜在不同拉伸温度下的微观结构演化与纳米微纤（nanofibrils）形成机制^[³^]。

图 3 原位变温拉伸过程中 PVA 凝胶薄膜在不同温度下的 SAXS 二维散射图谱与微纤演化

如图3所示，原位变温拉伸SAXS实时记录了PVA薄膜在不同拉伸温度及应变全过程的二维散射图谱变化。通过追踪特征散射信号，可以直接反映拉伸诱导下片晶结构的熔融-重结晶，以及向纳米微纤网络转变的动态过程。

为进一步阐明不同拉伸温度对结构演化的显著影响，研究团队进行了系统的动力学分析。原位观察分析表明，低温拉伸时，晶体结构的破坏主要由应力主导；而在高温拉伸时，晶体破坏则由熔融主导，材料的结晶度在应力下迅速下降，但拉伸诱导的重结晶和纳米微纤重构却更容易实现。原位变温拉伸SAXS精准解析了多物理场耦合下聚合物的结晶动力学，为工业级高性能多孔纳米纤维膜的制备提供了坚实的理论依据。

综上所述，通过SAXS/WAXS技术与原位装置（变温热台、拉伸机等）的联用解析纳米级结构取向与畸变，我们不仅能探究材料的静态排布，还能记录其动态演变全过程。若结合更多的外场环境（如剪切、流变）等技术，更是能为材料科学建立一套从分子级晶格畸变到纳米级交联网络的多尺度全维度原位表征体系。

安徽国科仪器（GKINST）致力于提供高端的X射线散射解决方案，涵盖全系列原位样品环境装置（高低温热台、变温拉伸装置等），此外可根据用户应用场景不同定制其他样品环境，全方位助您在高分子材料、新能源薄膜及软物质等新兴交叉领域的研究中，精准捕捉每一个微观动态细节。

参考文献：

[1] Zhao J, Yang M, Wu B, et al. In Situ Following Oriented Crystallization of Pre-Stretched Poly(ethylene 2,5-Furandicarboxylate) Under Post Heating[J]. Polymers, 2025, 17(11): 1508.

[2] Habumugisha J C, Feng S, Iqbal O, et al. Stretch-induced structural evolution of pre-oriented isotactic polypropylene films: An in-situ synchrotron radiation SAXS/WAXS study[J]. Polymer, 2021, 214: 123234.

[3] Huang Z, Li W, Wan C, et al. Stretch-Induced Structure Evolution of Poly (vinyl alcohol)–Glycerol Gel Films: An In Situ Synchrotron Radiation X-ray Scattering Study[J]. Macromolecules, 2025, 58(13): 6543-6554.

安徽国科仪器科技有限公司是一家专业从事X射线结构分析设备研发、生产、销售的创新型国家高新技术企业，在小角散射仪(SAXS)、X射线衍射仪(XRD)、高压衍射仪(HPXRD)、桌面X射线吸收精细结构谱仪(XAFS)、原位多外场样品环境、X射线源及国家大科学装置等高端X射线结构分析设备领域已顺利实现产品定型，并与各大科研院所和企业、事业单位取得合作，为客户提供全集成、高附加值的全方位解决方案。

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