聚合物表面_界面表征技术进展
聚合物表征——精选推荐
聚合物表征式中，Π为聚合物样品中高分子链及微晶体沿样品被拉伸方向的取向度，H°为赤道线上Debye环强度分布曲线的半高宽度。
Π值没有明确物理意义，只能做相对比较的参考数据。
固体聚合物形貌的表征同种高分子聚合物中的凝聚状态是随外部因素的不同而不同的，所谓外部因素，包括制备条件(合成条件)，受外力情况(剪切力、振动剪切，力的大小和频率等)，温度变化的历程等情况。
而固体聚合物凝聚态结构的差异，更直接影响到聚合物作为材料使用时的性能。
因此观察固体聚合物表面、断面及内部的微相分离结构，微孔及缺欠的分布，晶体尺寸、性状及分布，以及纳米尺度相分散的均匀程度等形貌特点，将为我们改进聚合物的加工制备条件，共混组份的选择，材料性能的优化提供数据。
表征方法与仪器:扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、扫描隧道显微镜原子力显微镜(AFM):用原子力显微镜表征聚合物表面的形貌。
原子力显微镜使用微小探针来扫描被测聚合物的表面，当探针尖接近样品时，样品分子和探针尖端将产生范德华力。
因高分子种类、结构的不同、产生范德华力的大小也不同。
记录范德华力变化的情况，从而"观察"到聚合物表面的形貌。
由于原子力显微镜探针对聚合物表面的扫描是三维扫描，因此原子力显微镜形成的图像是聚合物表面的三维形貌。
用原子力显微镜可以观察聚合物表面的形貌，高分子链的构象，高分子链堆砌的有序情况和取向情况，纳米结构中相分离尺寸的大小和均匀程度，晶体结构、形状，结晶形成过程等信息。
扫描隧道显微镜(STM):用扫描隧道显微镜表征导电高聚物表面的形貌。
同原子力显微镜类似，扫描隧道显微镜也是利用微小探针对被测导电聚合物的表面进行扫描，当探针和导电聚合物的分子接近时，在外电场作用下，将在导电聚合物和探针之间，产生微弱的"隧道电流"。
因此测量"隧道电流"的发生点在聚合物表面的分布情况，可以"观察"到导电聚合物表面的形貌信息。
第六章复合材料表界面的分析表征
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不同处理碳纤维增强复合材料冲击 载荷与冲击时间的对应关系
A. 接枝聚丙烯酰胺碳纤维; B. 接枝聚丙烯 酸碳纤维; C. 氧等离子处理碳纤维; D. 未 处理碳纤维
氧等离子处理（曲线C）碳纤维 复合丝试样的冲击载荷曲线主 要弹性承载能U1差不多比未处 理者增加近3倍，表明基体变形 更大，也有更多的纤维发生形 变。相反塑性承载能U2却小到 可略视的地步，几乎没有什么 纤维拔出和与基体的脱粘，充 分表明了强结合的界面特征。
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碳纤维表面官能团的分析
还原剂，消除自由基，证明等 离子处理产生的大部分是游离
基，不是酚羟基
图6-25 等离子处理时间对自由基浓度的影响
在等离子处理初期，自由基浓度迅速增加，处 理5分钟后，自由基浓度增加渐趋平缓。
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图6-26 UHMWPE纤维表面活性的衰减
经等离子处理后的UHMWPE纤维暴露在空气中，表 面自由基的浓度随时间而衰减，表面活性在逐渐减小
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6.4.2 复合材料界面的动态力学分析
a-接枝玻纤 b-未接枝玻纤 涂敷聚苯乙烯树脂的玻璃纤维辫子的动态
力学扭辫曲线
曲线b在92℃处出现一个 尖锐的聚苯乙烯玻璃化转变 损耗峰，而曲线a上，在聚 苯乙烯玻璃化转变损耗峰高 温一侧还有一个小峰，一般 称为α’峰，也叫做界面峰。
界面粘结强，则试样承 受周期负荷时界面的能力损 耗大，α’峰越明显。
复合材料界面受到因 热膨胀系数不同引起 的热残余应力。热残 余应力的大小正比于 两者的热膨胀系数之 差Δα和温差ΔT， 也与基体和纤维的模 量有关。
29
❖ 6.4 界面力学性能的分析表征
聚合反应中的表征技术研究
聚合反应中的表征技术研究聚合反应是一种常见的化学反应过程，其主要作用是将多个单体分子结合成更大的分子物质，从而形成新的高分子化合物。
在聚合反应中，表征技术的研究具有重要的意义。
本文将从不同的角度探讨聚合反应中的表征技术研究。
一、理论分析与计算模拟理论分析和计算模拟是聚合反应中表征技术的重要手段。
基于分子动力学（MD）方法、量子化学计算（QC）方法等，可以对聚合反应机理、反应动力学和反应物产物转化率等方面进行深入分析和研究。
通过计算模拟，可以得到不同反应条件下聚合反应的动态变化过程，以及解释实验观察结果的原因。
例如，聚合反应中的分子扭曲、聚合物链的构型发生变化等过程，可以通过MD方法进行深入研究和预测。
二、实验表征方法实验表征方法是聚合反应中另一个重要的表征手段。
目前，常用的实验表征方法包括核磁共振（NMR）、红外光谱（FTIR）、质谱（MS）、凝胶渗透色谱（GPC）等。
这些方法可以对聚合物的化学结构、分子量、微观结构等方面进行表征和分析。
例如，通过NMR技术可以确定聚合物中各个基团的相对位置和数量，从而确定聚合物结构；通过GPC技术可以测定聚合物的分子量分布情况，从而评价反应的均一性和产物质量。
三、原位表征技术原位表征技术是聚合反应中的一个新兴研究方向，它可以在反应过程中进行非破坏性表征，并且可以对反应动态变化进行实时监测。
目前，常用的原位表征技术包括原位红外光谱（FTIR）和原位质谱（MS）等。
这些技术可以在聚合反应过程中对反应物和产物进行实时监测和分析，并且可以对反应机理和动力学行为进行更深入的理解和研究。
例如，通过原位FTIR技术可以对聚合反应中产生的中间体和催化剂进行监测和分析；通过原位MS技术可以对聚合反应中的离子物种和中间体进行表征和定量分析。
总之，聚合反应中的表征技术研究有着非常重要的意义，可以对反应机理、动力学行为和产物性质等方面进行深入分析和研究。
未来，随着科学技术的不断发展，表征技术的应用范围和深度将进一步扩展，为聚合反应的优化和新型材料的研究提供更为有效的手段和思路。
聚合物表面与界面技术.1
第1章聚合物表面的表征物体的表面是物质存在的一种客观形式，固体从体相延伸到表面，最终在表面形成原子及其电子分布的终端，从而导致表面具有体相所不具备的新的特点和新的特征。
同时也破坏了物体的连续性，因此，研究物体的表面比研究物体的体相有更大的难度。
在表面分析中，由于表面层的光学干涉、表面缺陷、粒度大小等表面变化为微观变化，实测结果往往与常规观察的判断有很大的区别。
表面分析实际上是物质的近表面区域的分析(表面分析、薄膜分析和体相分析)。
聚合物因自身的特点，其表面的特性在许多技术中都是非常重要的。
就聚合物商品的最终用途而言，许多情况下表面性质是关键，其中包括黏结性能、电性能、光学性能和生物体的相容性，以及透气性、化学反映能力等。
这些性质的优劣将取决于聚合物表面具有的物理和化学结构。
而理解表面特性就需要对聚合物的表面从成分和结构上进行表征，对聚合物进行改性及加入添加剂以满足所需的要求同样需要对聚合物表面进行分析。
聚合物表面分析研究的范围很广，主要包括：①表面的组成和表面状态的研究，即对表面上的元素定性、定量分析、元素存在的价态及化学键的研究；②表面电子结构和几何结构的研究；③聚合物的黏性、改性、老化、接枝等的性能和结构方面的信息。
现在应用于聚合物表面分析的技术有很多，基于一个时期以来谱仪的开发，仪器性能及谱图阐释方面的诸多进展，许多表面表征方法趋于成熟。
本章将分别介绍红外光谱、X射线能谱、二次质子离谱、扫描电镜显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜等技术在聚合物表面表征方面的应用。
1.1 红外光谱1．1．1 红外光谱基本原理红外光谱简称IR。
通过红外光照射到物质分子只能激发分子内原子核之间的振动和转动能级的跃迁，因此红外光谱是通过测定这两种能级跃迁的信息来研究分子结构。
在红外光谱中，以波长或波数为横坐标，以强度或其他随波长变化的性质为纵坐标。
红外辐射光的波数可分为近红外区(10000—4000cm-1)、中红外区(4000—400cm-1)和远红外区(400—10 cm-1)。
高分子物理课件11聚合物表面与界面
§11.1 聚合物表面与界面
表面（surface):暴露于真空的材料最外层部分。 界面（inteface):不同物体或相同物质不同相间相互接触
的过渡部分。 表面处理：用化学或物理方法改变表面分子的化学结构， 来提高或聚合物表面张力
11 聚合物的表面与界面
§11.2 聚合物表面与界面的热力学
三、粘结薄弱层及内应力 1、薄弱层：低内聚强度。 2、内应力的产生： （1）固化过程中胶粘剂体积收缩； （2）胶粘剂与基体线形膨胀系数不同。
11 聚合物的表面与界面
3、减小内应力的措施 （1）降低固化过程的收缩率； （2）提高内应力松弛速率，如加增塑剂或与弹性体混 合来降低弹性模量； （3）消除胶粘剂同基体间线形膨胀系数的差异； （4）用热处理消除热应力。 四、结构胶粘剂 内聚强度高，可达6.9MPa，用来粘结结构材料。常用 热固性交联聚合物。
11 聚合物的表面与界面
4、界面张力（与共混体系有关） （1）存在上临界共溶温度的体系，随温度升高，界面 张力降低。 （2）存在下临界共溶温度的体系，随温度降低，界面 张力降低。 （二）润湿
sv sl lv cos
（1）θ＜90°，润湿。 （2） θ＞ 90°不润湿。
11 聚合物的表面与界面
11 聚合物的表面与界面
五、弹性体胶粘剂 日常生活中使用最广泛，如压敏胶带。 具有干粘性与永久粘性，只需用手指的压力即可粘
结，不需要其他能源来活化，具有足够的粘结强度粘结 在被粘物上，具有足够的内聚强度，能够完全从被粘物 上剥离。
其粘性是通过向弹性体中加某种小分子物质产生的， 小分子物质称为增粘剂。
11 聚合物的表面与界面
§11.8 粘接
一、胶粘剂的分类 1、通过溶剂蒸发固化。如动物胶、淀粉、PVA、聚乙 酸乙烯酯。 2、通过化学反应固化，如环氧树脂、酚醛树脂。 3、通过相转变固化，如聚乙酸乙烯酯热熔胶。 二、粘结理论与机理 1、机械粘接，起辅助作用。
材料表征技术的发展趋势
材料表征技术的发展趋势随着材料科学的发展，越来越多的材料被研制出来，并且被广泛应用于各个领域。
材料表征作为材料科学的重要组成部分，以其精准、细致的特点，成为了材料科学研究过程中不可或缺的一个环节。
随着科技进步，材料表征技术也在不断发展，新兴的技术不断涌现，对材料科学的研究起到了巨大的推动作用。
本文将介绍材料表征技术的发展趋势，并探讨其对材料科学的发展带来的影响。
一. 介绍材料表征技术的发展历程早期的材料表征技术主要包括光学显微镜、扫描电子显微镜等基础技术。
这些技术可以对材料的表面形貌、化学成分等进行表征，但是存在着一些局限性，比如分辨率不高、不能直接观察材料内部结构等。
随着科技的发展，一些新兴的材料表征技术被研发出来，比如透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）、原子力显微镜（AFM）等。
这些技术的出现，使得我们可以更加细致、准确的观察材料内部的结构和性质，并且为我们的研究提供了更加详实的数据。
近年来，随着计算机技术的飞速发展，人工智能技术和机器学习技术等开始涌现，在材料表征领域也得到了广泛应用。
这些新兴技术可以通过大量的数据分析，精准地预测材料的性质，减少试错成本，提高研究效率。
二. 探讨材料表征技术的发展趋势1. 多模态表征技术的发展多模态表征技术即将多种表征技术有机地结合，提高材料表征的精度和准确度，例如在化学成分分析上，多种分析手段的结果可以获得更详尽的结果。
同时多模态表征技术对于材料的特异性也可以提高精度，在不同技术之间可以互补说明。
未来，多模态表征技术将会成为材料表征的主导发展方向。
2. 快速、无标记表征技术的发展现有的表征技术需要长时间的准备，费用昂贵等缺点，难以应对许多实际应用的需要，因此发展快速并且无标记的表征技术成为了材料表征技术的一个发展方向。
未来，将有更多的快速无标记的表征技术被提出，用于构建高精度的表征模型，减少试验成本。
3. 在线表征技术的发展在线表征技术可以实现非常快速的相关分析，从而实现实时监测和控制，例如可以用于设计更环保的材料生产方法。
聚乙烯表面紫外接枝改及表征
主要试剂
高密聚乙烯(HDPE)薄片：自行用高密聚乙烯 粒料制备。 甲基丙烯酸(MAA)、丙酮、丁酮、乙醇均为 分析纯，实验前未进一步纯化。 水：紫外光接枝实验所用的水为一次蒸馏水； 接触角实验所使用的是二次水。
主要仪器
高压汞灯紫外辐照装置：RW—UVAC201—20bsd—1； 傅立叶红外光谱仪：AVATAR360，美国Nicolet公司制
大。 内标：随着接枝程度的增大，样品变得模糊，
不透明，吸光度变化很大。 基线校正：用来保证结果的正确。 部分样品谱图的峰顶出现锯齿状，接枝程度大，
吸光度强，超出测量范围，红外光谱定量分析 只适用接枝量较低的样品。
2. 红外光谱
A b so rb a n ce
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
5．接触角θ测量
接触角θ/°
接触角θ随紫外接枝辐照时间
90
的增加而明显减小。
80
未接枝时，样品的接触角最大，
70
为85.25°，这是因为聚乙烯的
60
表面张力很小，对水几乎是不
50
润湿的。
40
接枝上一些极性吸水性单体
30
（在本实验中为MAA）后，表
20
面张力增大，接触角减小，并
10
且接触角θ随接枝程度的逐渐
子夺走，还要有较长的寿命来保证夺氢过程的顺利 进行。 水由于可以和酮形成氢键，使三线态的通具有更高 的能量，使夺氢过程能够进行的更顺利。
结论
1.丙酮或丁酮，与水和乙醇混合，都可以引发单体MAA 在HDPE表面的接枝，不同体系，接枝效率不同；对于 丁酮，如比例一致，水占比例越大，接枝程度越好；对 于比例相同的丙酮和丁酮，丁酮接枝效果更好。
材料表面和界面的表征简介
Raman效应产生于入射光旳电场与介质表面上振动旳感生 偶极子旳相互作用，造成分子旳旋转或振动模式旳 跃 迁变化。
Raman光谱仪器
石墨旳Raman光谱图
Raman光谱旳特点
（1） Raman光谱研究分子构造时与红外光 谱互补
（2） Raman光谱研究旳构造必需要有构造 在转动或者振动过程中旳极化率变化
SPM扫描探针显微镜
AFM线性剖面图
AFM立体显示图
Average roughness Ra
特点 （1）针尖与样品之间旳排斥作用力；来反应
样品旳形貌 (2)辨别率可达： 0.1 nm (3) 能够在真空、大气、溶液条件下进行表面
分析，图象旳质量与针尖非常亲密有关 （4） 样品形貌起伏不能太大
三种观察原子旳措施比较
红外光谱研究旳构造必需要有有构造在转动 或者振动过程中偶极矩差别
（3）能够测定物质旳晶体构造和晶相判断， 但只能是研究光能到达旳表面区域
（4）样品能够是固态、液体或者气体
2.4 XPS光电子谱
1. 光电发射定律
原子由核和绕核运动旳电子所构成，电子具有拟定旳能量并在一定 轨道上运动(EB(i), )。当能量为hv旳光激发原子或者分子时，只要 hv >EB(i),,便可激发出i轨道上电子，并取得一定动能Ek，留下一种离子： M + hv = M+* + e-1
5. Bruggle 方程
2dhklsinhkl=n
A
hkl
m N
B
hkl
= n = mB+ BN = 2dhklsinhkl
2.3 拉曼光谱（Raman spectra）
• 光经过样品时产生散射
hv
界面现象的研究进展
界面现象的研究进展界面现象是材料科学领域中一个重要的研究方向，涉及材料之间的相互作用、界面结构与性质等问题。
近年来，界面现象的研究在材料科学与工程、物理学、化学等领域取得了许多重要进展。
本文将从几个研究方面介绍界面现象的研究进展。
第一部分：表面能与界面能的研究表面能与界面能是界面现象研究中的重要参数。
表面能是指固体表面与周围介质的相互作用能力，而界面能则是指两种不同材料之间的相互作用能力。
研究人员发现，表面能与界面能的大小与材料的表面结构有关。
通过使用先进的表征技术，例如原子力显微镜和X射线光电子能谱仪，可以直接观察固体表面的原子排列和分子结构，从而研究材料的表面能和界面能。
这些研究结果对材料设计和应用具有重要的指导意义。
第二部分：界面的结构与性质界面的结构对材料的性质具有重要影响。
以二维材料为例，图卡勒电子显微镜可以在原子尺度上揭示二维材料界面的结构。
研究人员发现，二维材料不同晶面的界面结构有着不同的电子性质。
此外，界面上的缺陷和杂质也会对材料的性能产生重要影响。
通过控制界面结构，可以实现材料性能的调控和优化，例如提高光电转换效率、增强催化活性等。
第三部分：界面的强化与界面力学性能界面的强化是界面现象研究的另一个重要方向。
研究人员发现，通过在材料界面引入纳米颗粒、纳米纤维等结构，可以显著改善材料的力学性能。
这是因为界面的纳米结构可以增加界面的强度和硬度。
此外，界面纳米结构的存在还可以提高材料的断裂韧性和抗蠕变性能，从而增强材料的可靠性和耐久性。
总结：界面现象的研究进展涉及多个方面，包括表面能与界面能的研究、界面的结构与性质以及界面的强化与界面力学性能。
通过对这些方面的深入研究，可以更好地理解界面现象，并在材料设计和应用中发挥重要作用。
未来，随着研究技术的不断发展，界面现象的研究将进一步深入，并在材料科学领域带来更多突破性进展。
聚合物的表征概述
目录1 前言 (1)2 表征方法 (2)2.1 红外光谱法(IR) (2)2.2 核磁共振法(NMR) (4)2.3 热分析法 (4)2.4 扫描电镜法 (6)2.5 X-射线衍射法 (6)2.6 原子力显微镜法 (7)2.7 透射电镜法 (8)3 聚合物表征的相关研究 (9)4 结论 (9)参考文献 (10)聚合物表征方法概述摘要：介绍了常规的聚合物的表征方法，具体叙述了红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、核磁共振(NMR)等的原理、方法、特点、局限性及改进方法并展望了聚合物表征方法的发展趋势。
关键词: 聚合物表征方法Summary of polymer characterization methodsAbstrac t：The conventional polymer characterization methods were introduced in this paper. The principle, method, characteristics infrared spectra (IR), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and the nuclear magnetic resonance (NMR) have been described, the limitations, the improved method and the predicts the development trend of those polymer characterization methods have been summarized.Keyword：polymer characterization method1 前言功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料[1]。
它们之所以具有特定的功能，是由于在其大分子链中结合了特定的功能基团，或大分子与具有特定功能的其他材料进行了复合，或者二者兼而有之。
高分子物理课件11聚合物表面与界面
11 聚合物的表面与界面 当d＜2L时，会引起两颗粒间高分子浓度局部升高，
高分子间相互排斥，使体系混合自由能增大；当d＜L时， 颗粒上高分子链被另一颗粒挤压，引起弹性形变，产生 弹性排斥力，这两种因素对胶体颗粒产生位阻排斥力， 有利于提高胶体稳定性。 （2）溶解于胶体分散介质中的高分子
11 聚合物的表面与界面
1、酚醛树脂：由甲醛和苯酚合成，用于家具材料粘结， 强度高，但固化温度高，较脆。 2、蛋白质：血液、乳液、结缔组织及黄豆。胶原基胶 粘剂。无法忍受恶劣环境，如室外。 3、环氧树脂：由酚与环氧氯丙烷合成，用胺类作固化 剂，最广泛，较脆。 4、聚氨酯树脂：能吸收大量能量，可迅速固化，粘结 强度较高。
的过渡部分。 表面处理：用化学或物理方法改变表面分子的化学结构， 来提高或聚合物表面张力
11 聚合物的表面与界面
§11.2 聚合物表面与界面的热力学
一、表面张力与润湿 （一）表面张力 1、定义： 表面层分子受到不对称力场的作用，产生总 的合力表现为指向体相内部的拉力。使液体表面紧缩， 沿液体表面，垂直作用于单位长度的力。方向与物体表 面平行，对于弯曲表面则与表面相切。 2、比表面功：增加单位面积所需的可逆非体积功。
11 聚合物的表面与界面
3、影响表面张力因素 （1）温度：温度越高，表面张力降低，温度高时表面 张力接近，甚至接近于小分子的液态。P302表11-1 （2）聚集态：固态表面张力大于液态。 （3）分子间作用力：越大，表面张力越大。 （4）基团极性：具有极性基团聚合物的表面张力 大于 非极性的。 （5）分子量：一般分子量越大，表面张力越大。 （6）聚合物密度：密度越大，表面张力越大。
聚合物表面_界面表征技术进展
V o l.14高分子材料科学与工程N o15 1998年9月POL Y M ER M A T ER I AL S SC IEN CE AND EN G I N EER I N G Sep t.1998聚合物表面 界面表征技术进展Ξ邱清华 贾德民(华南理工大学高分子材料科学与工程系,广州,510641)摘要 综述了聚合物表面 界面表征技术的进展,具体叙述了离子谱(ISS、S I M S)、电子谱(XPS)、离子谱和电子谱联用(XPS2SS I M S)、隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(A FN)等在表征聚合物表面 界面的原理及应用。
全文包括主要参考资料33篇。
关键词 表征技术,聚合物,表面 界面 聚合物表面 界面的性质直接影响到材料的加工、性能及应用,如粘合、共混、复合、摩擦磨损等,特别是对新型聚合物及其复合材料的研究,其表面 界面的表征显得尤为重要,因它有助于了解表面的组成、结构形态等,从而推断材料的许多物理化学性质。
所以聚合物表面 界面表征不仅是一种基础理论工作,而且还能解决诸多实际应用问题。
目前较为常用和先进的聚合物表面 界面表征技术有:离子散射谱(ISS)、二次离子质谱(S I M S)、静态二次离子质谱(SS I M S)、俄歇电子谱(A ES)、X 射线光电子谱(XPS)、卢瑟福背散射(RB S)、扫描电子显微镜(SE M)、透射电子显微镜(T E M)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(A FM)等。
每种表征技术都有其特点,对于众多的聚合物和表征目的不同,则需选择不同的分析方法,才能达到预期的效果。
T ab.1比较了常用聚合物表面 界面表征技术的一些异同点。
Tab.1 Co m par ison of character ization of poly m er surface i n terfaceA ES ISS SS I M S RBS XPS T E M SE M incidence particle electron i on i on i on pho ton electron electron em itted particle electron i on i on i on electron electron electron dep th reso luti on<10nm monlayers<1nm<100nm<10nm<10nm<100nm elem ental range excep t H excep t H,L i all excep t H,L i excep t H,H e excep t H excep t H li m it of detecti on>0.1%ppm ppm ppm>0.1%>0.1%>0.1% surface dam age yes yes yes yes no yes yes quantiative analysis sem iquan.sem iquan.difficult sem iquan.quan.quan.quan. 下面所叙为近年来离子谱和电子谱在表征聚合物表面 界面方面的应用及表征的一些进展。
聚合物薄膜表面分子取向的表征方法
简介控制聚合物分子的取向通常可以采用单轴定向拉伸、高电场薄膜极化、紫外偏振光照射含有光敏基团的聚合物等方法，也可以采用偏振激光辐射气相化学沉积法，得到单一取向的高分子薄膜。
目前，取向技术在压电材料、二阶非线性谐波材料以及液晶定向技术中得到广泛应用。
在液晶显示器制作中，聚合物表面取向的分子链用于控制液晶分子的定向方向，而取向分子链的获得主要是通过绒布摩擦法。
即将涂布于基板上的高分子薄膜(一般是聚酰亚胺)经过摩擦后，聚合物表面的部分分子链或链段发生了沿着摩擦方向排列的取向现象。
而其上的液晶分子因受到聚合物分子链各向异性的相互作用而引起定向排列。
为了进一步发展高性能的液晶显示器，必须了解磨擦取向高分子薄膜的取向特性，所以聚合物薄膜分子取向的表征技术得到了快速发展。
这其中包括傅立叶红外技术、偏振紫外技术、二次谐振产生(SHG)观察法、反射椭圆偏振技术(TRE)、近场X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)[]、掠角X射线衍射技术(GIXS)[以及核磁共振技术等等。
01紫外-可见光谱法对有机二阶非线性光学材料，在极化前后，随着生色团取向的变化，豪合物的紫外-可见吸收光谱也会发生变化。
假定分子的跃迁矢量平行于其永久基态偶极矩，就可以用偏振垂直于极化方向的光测定膜的吸光度，由极化前后的吸光度可求其序参数：φ=(1-A1)/A0=(3cos²θ-1)/2，其中A0为极化前的吸光度，A1为极化后的吸光度，θ为薄膜的取向角，序参数可反映薄膜或基团的取向程度。
图中为极化前后含偶氮基团的聚胺酯酰亚胺(PUI)薄膜的紫外-可见吸收光谱。
从谱图可以看出，高电场极化使得偶极矩发生取向而引起分子二向色性的变化。
由于偶极矩发生面外取向，因而极化后膜的最大吸收峰值下降。
02傅立叶红外光谱技术对于透射红外光谱，化学基团的吸收是指该基团偶极矩在垂直于入射光平面上的分量的吸收，如果基团发生了面外的取向(如电极化，激光诱导等)，则其偶极矩在入射光的垂直平面上的分量将减少，因此通过测定处理前后透射红外光谱的变化，可以了解化学基团的面外取向情况。
高分子材料的界面与表面性质研究
高分子材料的界面与表面性质研究高分子材料是一类具有广泛应用的材料，它们在各个领域中扮演着重要的角色。
然而，高分子材料的界面与表面性质对于其性能和应用有着至关重要的影响。
在这篇文章中，我们将探讨高分子材料的界面和表面性质的研究进展，以及其在材料科学领域中的意义。
一、界面性质的研究界面是指两个相互接触的材料之间的区域。
对于高分子材料而言，界面性质的研究对于了解材料的结构和性能起着至关重要的作用。
界面性质的研究方法主要包括界面力学性质、界面能量、界面结构等方面。
1. 界面力学性质界面力学性质是研究界面上力学行为的重要指标。
通过测量界面的剪切强度、界面屈服强度、弹性模量等参数，可以评估材料界面的稳定性和强度。
例如，通过拉伸实验可以测定高分子材料界面的断裂强度，以评估其在实际应用中的可靠性。
2. 界面能量界面能量是描述界面力量交换的重要参数。
通过测量界面的表面张力和界面能量，可以了解高分子材料与其他材料的黏附性和界面稳定性。
界面能量的研究可以帮助我们优化材料的界面结构，从而改善材料的性能和应用。
3. 界面结构界面结构指的是高分子材料与其他材料之间的结合方式和层次。
通过使用各种表征方法，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等，可以观察和分析高分子材料与其他材料界面的形貌和结构。
界面结构的研究有助于我们了解材料在界面处的相互作用机制，从而指导材料的设计和制备。
二、表面性质的研究表面性质是指高分子材料表面的特征和性质。
与界面性质类似，表面性质的研究也对于了解高分子材料的性能和应用具有重要意义。
表面性质的研究方法主要包括表面能、表面形貌等方面。
1. 表面能表面能是描述材料表面各个部分之间相互作用的能量。
通过测量材料表面的接触角，可以获得材料的表面能。
表面能的研究可以帮助我们了解高分子材料与其他物质的黏附性和润湿性，进而优化材料的表面处理方法。
2. 表面形貌表面形貌是指材料表面的形状、纹理和粗糙度等特征。
材料表征技术在材料科学中的最新进展
材料表征技术在材料科学中的最新进展材料表征技术是现代材料学研究中的重要内容之一。
它是指利用各种方法对材料的性质进行表征和分析，以了解材料的结构、组成、性能等方面的信息。
近年来，随着材料表征技术的不断发展和进步，越来越多的新技术被开发出来，为材料科学的研究和发展提供了有力支撑。
本文将简要介绍材料表征技术在材料科学中的最新进展。
一、透射电子显微镜(TEM)透射电子显微镜是一种能够获得材料内部结构的高分辨率仪器，在微观领域被广泛应用。
最近，科学家们利用TEM技术对纳米结构进行了深入的研究，探究了其形貌、分布和晶体结构等信息。
利用TEM技术，科学家们成功研发了一种新型纳米晶体材料，在太阳能电池、光催化和传感等领域有广泛应用。
二、扫描电镜(SEM)扫描电镜是一种用于形态表征的显微镜。
近年来，科学家们通过改良SEM技术，使其能够实现高分辨率成像，进而实现了体积三维重构，即重建图像的空间位置信息。
这项技术的应用使得科学家们更加深入地研究了复杂结构材料、新型合金等材料的内部纳米结构，为材料表征技术提供了更多的信息。
三、X射线晶体衍射X射线晶体衍射是一种很重要的材料研究技术，可以精确测量晶体样品的周期性结构。
近年来，科学家们通过改良晶体衍射技术，开发出了一种新的基于超快光学技术的X射线源（表征孔微/XFEL），使得样品吸收能力更强，分辨率更高。
这项技术的应用使得我们能够观察到物质的分子层次，为材料科学的研究提供了重要的途径。
四、热物性测量热物性测量是一种重要的材料性能表征技术，在电子器件、热障涂层、燃料电池等领域发挥着不可替代的作用。
最近，科学家们通过改良热物性测量技术，开发出了新型的测量仪器，可以精确地测量复杂材料的热传导系数、热扩散系数等热学参数，进一步完善材料性能的评价方法。
五、拉曼光谱拉曼光谱是一种非破坏性、非接触性的材料表征技术，通过测量由材料分子键振动引起的Raman散射光来研究材料的结构和性质。
最近，科学家们通过改良拉曼光谱技术，提高了测量精度和分辨率，并成功利用拉曼光谱对碳材料、纤维材料、氢化物等复杂材料进行研究，拓展了材料表征技术的研究范围。
《聚合物材料的表面与界面》课程教改探讨
关问题的能力ꎬ 是十分具有挑战性的 [２] ꎮ 为了提高本专业学生
的理论知识与解决相关实际问题的能力ꎬ 就需要对 « 聚合物材
料的表面与界面» 课程进行教学改革ꎮ
１ 现有 « 聚合物材料的表面与界面» 课程教
熟练掌握ꎬ 这有助于达到该课程的实践性要求ꎬ 即培养应用型
人才ꎮ 这门课程最大的特点是基本的理论知识点对、 抽概念、
模型等抽象性较强( 如 Ｌａｐｌａｃｅ 方程、 聚合物共混物热力学模型
等) ꎬ 以上这些因素都增加了学生对课程内容理解的难度ꎬ 同
时也会让学生在后面的学习中出现抗拒心理、 学习压力大等问
外ꎬ 除了要加深学生对知识点的理解记忆外ꎬ 在授课期间ꎬ 教
师还应该重视学生的课堂或课后讨论ꎬ 利用定期讨论的方式来
解决学生在学习过程中的疑问ꎮ 通过讨论ꎬ 还可以促使学生独
立思考ꎬ 培养学生的逻辑思维能力ꎬ 激起他们的学习兴趣和热
情ꎬ 这些都有利于学生更好掌握和理解该课程的内容ꎮ
２ ３ 改进课程考核与评价方式
式进行研究ꎬ 考察学生检索 ＣＮＫＩ 等数据库的文献、 处理利用文
献资料以及运用理论知识分析问题的能力ꎬ 从而达到提高学生
撰写学术报告或论文的能力ꎬ 牢固学生的理论知识基础并拓宽
知识视野ꎬ 为学生之后的毕业论文设计打下基础[７] ꎮ 此外ꎬ 教
师可布置学生制作总结性的 ＰＰＴ 或报告、 论文等ꎬ 并让学生分
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｓ ａ ｈｉｇｈｌｙ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｍａｊｏｒꎬ ｗｈｉｃｈ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｔｅａｃｈｅｒｓ ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ａ
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V o l.14高分子材料科学与工程N o15 1998年9月POL Y M ER M A T ER I AL S SC IEN CE AND EN G I N EER I N G Sep t.1998聚合物表面 界面表征技术进展Ξ邱清华 贾德民(华南理工大学高分子材料科学与工程系,广州,510641)摘要 综述了聚合物表面 界面表征技术的进展,具体叙述了离子谱(ISS、S I M S)、电子谱(XPS)、离子谱和电子谱联用(XPS2SS I M S)、隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(A FN)等在表征聚合物表面 界面的原理及应用。
全文包括主要参考资料33篇。
关键词 表征技术,聚合物,表面 界面 聚合物表面 界面的性质直接影响到材料的加工、性能及应用,如粘合、共混、复合、摩擦磨损等,特别是对新型聚合物及其复合材料的研究,其表面 界面的表征显得尤为重要,因它有助于了解表面的组成、结构形态等,从而推断材料的许多物理化学性质。
所以聚合物表面 界面表征不仅是一种基础理论工作,而且还能解决诸多实际应用问题。
目前较为常用和先进的聚合物表面 界面表征技术有:离子散射谱(ISS)、二次离子质谱(S I M S)、静态二次离子质谱(SS I M S)、俄歇电子谱(A ES)、X 射线光电子谱(XPS)、卢瑟福背散射(RB S)、扫描电子显微镜(SE M)、透射电子显微镜(T E M)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(A FM)等。
每种表征技术都有其特点,对于众多的聚合物和表征目的不同,则需选择不同的分析方法,才能达到预期的效果。
T ab.1比较了常用聚合物表面 界面表征技术的一些异同点。
Tab.1 Co m par ison of character ization of poly m er surface i n terfaceA ES ISS SS I M S RBS XPS T E M SE M incidence particle electron i on i on i on pho ton electron electron em itted particle electron i on i on i on electron electron electron dep th reso luti on<10nm monlayers<1nm<100nm<10nm<10nm<100nm elem ental range excep t H excep t H,L i all excep t H,L i excep t H,H e excep t H excep t H li m it of detecti on>0.1%ppm ppm ppm>0.1%>0.1%>0.1% surface dam age yes yes yes yes no yes yes quantiative analysis sem iquan.sem iquan.difficult sem iquan.quan.quan.quan. 下面所叙为近年来离子谱和电子谱在表征聚合物表面 界面方面的应用及表征的一些进展。
1 离子谱利用离子束进行聚合物表面分析的技术主要可分为两类,一类是离子散射谱,另一类是二次离子质谱,其它还有离子中和谱、离子诱发俄歇谱和脱附谱等。
1.1 离子散射谱(ISS)离子散射谱包括低能离子散射谱和高能离子背散射谱(即卢瑟福背散射谱)。
它利用惰性气体正离子H e+、N e+、A r+等轰击聚合物表面,与表面原子相碰撞引起运动和能量的变化,然后分析被散射出的离子。
它可以用于测定加入聚合物中的稳定剂在表面分离富集[1];按照聚合物C O散射离子强度的不同,可以区别出聚合物的立体结构,如J.A. Gardella用此法研究区别了全同、间同和无规立构聚甲基丙烯酸甲酯[2]。
但这种技术在分析聚合物材料方面应用并不广泛,原因是其它表征技术比它能提供更多的表面信息,而且分辨率及灵敏度均比它Ξ收稿日期:1996-04-08;修改稿收到日期:1996-07-06 联系人及第一作者:邱清华,男,32岁,博士.高,如二次离子质谱。
1.2 二次离子质谱(SI M S )二次离子质谱(S I M S )是聚合物表面分析的主要手段之一,S I M S 的分析过程是先用离子或原子束轰击聚合物表面,通过质量分析器对从聚合物表面溅射出的粒子(即二次离子)进行分析,得出二次正、负离子谱图,从谱图中便能得到有关聚合物表面的结构和化学信息。
S I M S 可分为静态二次离子质谱(SS I M S )和动态二次离子质谱。
二者的区别是:SS I M S 入射表面的离子流较低(约10-9m ),二次离子来自材料表层,而且表面不会受破坏。
动态S I M S 所用的离子流较高(达10-17m ),样品表面易受损,所以静态二次离子质谱常用于表面研究[3,4],动态二次离子质谱则应用于深度切面研究[5]。
SS I M S 能有效地提供表面信息,许多聚合物的标准正离子和负离子谱图已被收集出版[6],通过与标准谱图的对照,可以得知聚合物种类及结构的变化[7],还可区别聚合物异构体和聚合物的在表面分离凝聚现象[8]。
例如R .D .Go ldb latt 等人利用S I M S 研究了聚苯乙烯体系的分离凝聚现象,他们将高分子量PS 和预氘化的低分子量PS 按一定比例混合,测出在体系表面总是含较高浓度的低分子量PS ,并从降低体系熵及低表面能的角度出发,较好地解释了这一现象[9]。
A .G .Shard 等人则利用SS I M S 研究了嵌段聚氨酯(PU )的表面成分,F ig .1为聚氧化丙烯酯(PPO )合成的PU 正离子SS I M S 谱图,在m z 59处是PPO 引起的峰,而m z 106处则是二异氰酸链段峰;F ig .2为聚环氧乙烷(PEO )合成的PU 正离子SS I M S 谱图,m z 45处主离子峰是PEO 单聚物的特征峰,m z 106处也是二异氰酸链段峰;F ig .3是PPO PEO 嵌段共聚物所制成PU 的正离子谱图,从图中可看出m z 59处有强峰,m z 106处也有明显的峰,但在m z 45处则无峰,这说明由PPO PEO 合成的PU 表面富含大量PPO 软链成分,而无PEO 成分,表面还含硬链部分二异氰酸链段[10]。
F ig .1 Positive ion SSI M S spectru m of PU (PPO)F ig .2 Positive ion SSI M S spectru m of PU (PEO)F ig .3 Positive ion SSI M S spectru m of PU (PPO PEO )同位素的测定是S I M S 在聚合物表面分析中独特的分析能力,实际应用中有不同的分析方法,如示踪单体聚合(常用氘化PS )[11]和含同位素试剂表面官能团化(常用18O 进行等离子处理)等[12]。
另外,利用扫描的初级离子束可以得到样品的二次电子及吸收电子像,能清晰地观察样品表面的形貌[13]。
2 电子谱电子谱包括X 射线光电子谱(XPS )和紫外光电子谱(U PS )。
U PS 在聚合物表面分析中用得很少,XPS 则非常普遍。
XPS 是利用单色光照射聚合物样品,X 光子与样品表面原子内层的电子相作用,并传递能量给电子,当电子有了足够的能量便从表面逸出,这种电子即为光电子,这些电子带有聚合物表面的信息,所得的XPS 谱图便可对聚合物表面进行表征[14]。
XPS 在聚合物表面界面表征中应用非常广泛,能对聚合物、共聚物、共混物的表面进行分析研究,并能与其它分析技术一起研究聚合物表面的化学或物理改性及接枝等。
P .J .de L ange 用XPS 研究了几种丙烯酸单体接枝改性的聚丙烯,T ab .2为用非离子甲基丙烯酸羟乙基酯(H E M A )作为单体进行接枝的有关数据及XPS 测定结果。
从表中可见,表面氧的浓度随单体浓度增加而增加,如作H E M A 浓度～氧浓度曲线,则与H E M A 浓度～C W ST 曲线相似,并可知少量的接枝将带来表面性能的巨大变化。
同时他还用XPS 测定了丙烯酸单体接枝聚丙烯薄层的厚度,其测定结果与理论计算结果一2高分子材料科学与工程1998年 致[15]。
Tab.2 Results of XPS m easure m en t onpolypropylene graf ted with HE M AH E M A conc.(mo l L)Graft(G)(M-M0) M0C W ST(105N c m)Cat.%O N0.01 -0.00253396.43.60.00.030.00345982.617.10.20.050.00578374.425.60.00.100.01519671.927.60.50.500.23710170.030.00.0 XPS还可用于研究粘结点断裂及粘合机理[16]、各种成分在共混物或共聚物表面的分离凝聚[17]、以及定性区分部分聚合物的晶区与非晶区[18]。
从XPS 价电子带谱还可以鉴定聚合物异构结构,如正、异、叔2甲基丙烯酸丁酯,它们的价电子带谱互不相同[19]。
与离子谱、红外衰减全反射技术相比,XPS是一种不损样品的分析技术,且分析的信息大都来自10-8m内的表面区,所以它在聚合物表面研究中将越来越重要。
3 分析仪的联用每种分析手段都有其优点和局限性,在聚合物表面分析中,如将合适的分析法联合表征、互相补充,则所得结果更加完整、准确,这是聚合物表征的一个发展方向。
3.1 XPS-SI M S联用目前联用得较多的是XPS与S I M S,XPS能分析元素及官能团,但却不能直接分析出分子结构,如聚乙烯与聚丙烯,仅XPS就很难判断。
而S I M S,特别是TO F2S I M S(TO F:ti m e2of2fligh t m ass analyze),则对化学结构非常敏感,能很好地分析出聚合物分子结构,是对XPS分析的补充。
在等离子沉积聚苯乙烯薄膜的表面分析中,就使用了XPS与SS I M S联合分析法[20]。
XPS分析了薄膜C1S、O1S和N1S,发现当沉积压力小于20Pa时,氧、氮的渗入随压力增大而减小(T ab.3),当压力大于20Pa时,氮的渗入就能被消除,于是将制作薄膜的沉积压力控制在20Pa以上,则能很好控制氧、氮的渗入。
然后再用SS I M S分析了沉积压力为21Pa 所制得的薄膜分子结构,如在S I M S谱图m z126和128处的峰分别代表以下结构: + + m z 126 m z 128Tab.3 Dat a on oxygen and n itrogen i ncorporationi n to PS f il mD epo siti onp ressure(pa)N1S(%)O1S(%)C1S(%)N C O C0.212.6812.4974.060.170.168.36.1911.9781.840.080.0916.61.6610.8087.550.020.1220.009.0490.9600.13.2 T OF-SSI M S近些年来,许多聚合物是通过TO F2SS I M S来表征的,TO F2SS I M S具有高离子透射性(高达30%)、高质量分辨率(m z达10,000),可以使用很低的初离子流,以减小有关表面电荷问题和高初离子流所引起的表面损坏。