聚合物表面与界面技术1资料
材料表面与界面性质分析技术
材料表面与界面性质分析技术材料是人类社会发展的基础，它们蕴含着各种性质和特征，比如热学、力学、化学等等。
材料的性质往往由其内部构成及表面和界面特性所决定。
因此，对材料的表面和界面进行深入分析是非常必要和重要的。
那么，如何对材料的表面和界面进行分析呢？一、扫描电子显微镜技术扫描电子显微镜技术是一种常见的表面形貌观测和分析手段。
这种技术通过扫描电子束照射样品表面，并通过检测样品表面反射、散射和辐射等信号来获得样品表面的形貌和组成信息。
这种技术具有分辨率高、非接触、多功能等优点，可以被广泛应用于样品形貌、尺寸、表面化学成分等方面的探测和分析。
二、原子力显微镜技术原子力显微镜技术是一种高分辨、非接触表面显微镜技术。
它通过量子力学的原理来探测样品表面微观特征。
具体来说，是利用在极近距离下样品表面和探针之间的作用力进行采样。
原子力显微镜技术可用于表面拓扑、力学、电学、热学特性的表征，如原子尺度上的精确距离测量、接触区域的模拟和力学性质的量化等。
三、拉曼光谱技术拉曼光谱技术是一种照射样品后测量样品化学组成和分子结构的手段。
这种技术通过使用一束激光束引起样品内分子振动，以探测样品的分子成分和化学结构。
利用拉曼光谱技术可以非常精确地探测到许多有机和无机分子的结构，如聚合物中官能团的结构和亚表面结构等。
这种技术具有非常高的分辨率和精度，被广泛应用于材料科学和化学分析。
四、电化学阻抗谱技术电化学阻抗谱技术是一种通过分析材料接触面上的电化学反应来获得材料界面性质信息的技术。
该技术是基于对微小电压交流信号下材料粗糙表面的阻抗响应进行分析的，可揭示材料的化学反应、传输速率和电子传输特性等。
电化学阻抗谱技术可以用于生物医学、电池、阳极保护和光伏等领域的研究。
总之，对材料表面和界面特性进行精确分析可以检测到材料特性的微小变化，进而为各种材料科学应用提供基础数据和指导。
以上介绍的技术是常见的材料表面和界面性质分析技术，它们各自具有独特的优点和适用范围。
聚合物材料的表面与界面特性
聚合物材料的表面与界面特性随着材料科学的不断发展，聚合物材料已经成为了很多领域的核心材料。
聚合物材料通常具有良好的可塑性，高强度和化学稳定性。
特别是在电子、光电、能源等领域，聚合物材料已经得到了广泛的应用。
然而，聚合物材料的性能很大程度上取决于其表面和界面特性。
本文将从表面和界面两个方面，探讨聚合物材料的特性。
一、聚合物材料的表面特性表面特性是指一种物体在表面的某些性质，与体积内大不相同。
在聚合物材料中，表面特性对于其性能影响很大，常常占据主导地位。
1.接触角接触角是指家在液滴与固体表面的夹角。
对于聚合物材料而言，接触角的大小与其表面的疏水性有关。
通常情况下，疏水性较强的聚合物表面会使接触角变大，表面的润湿性较弱，易产生近似于球形的液滴。
相反，疏水性较弱的聚合物表面会使接触角变小，表面的润湿性较强，液滴更容易在其上展开。
2.表面能表面能是指表面分子在膜层表面留下的自由表面能。
聚合物材料的表面能可以影响其表面吸附性（如对水气泡、尘埃和异物的起伏状况）和粘附性（如与别的聚合物、金属、涂料等接触时的反应强度）。
疏水性的聚合物表面，表面能往往较低；而疏水性较差的聚合物表面，表面能通常较高。
3.形貌结构聚合物表面的形貌结构也是其表面特性之一。
如表面粗糙度、表面纹理等。
这些形貌结构变化不仅影响聚合物表面的外观，还会影响聚合物的力学性能、光学性能等。
二、聚合物材料的界面特性除了表面特性外，聚合物材料的界面特性也很重要。
界面是两个或更多物体或相转移层之间的分界面。
在聚合物材料中，界面是很常见的，如聚合物复合材料、聚合物涂料等。
1.粘附强度粘附强度是指界面两侧所负责粘附的抵抗分子间互相分离的强度。
聚合物材料的粘附强度与其界面粘合性能密切相关。
通常情况下，聚合物材料的粘附强度越高，其界面粘合性能也会越好。
2.界面应力界面应力是指交界处材料和结构间不同应力场所产生的现象。
聚合物材料的界面应力对于聚合物的力学性能、热学性能、及光学性能有着重要意义。
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)。
材料物理化学第四章 表面与界面
电动电位或ξ电位影响因素 ①．ζ -电位和双电层厚度有关，双电层越厚， ζ -电位越大。
②．阳离子浓度：阳离子浓度越大，扩散层压 缩，ζ -电位降低；
③阳离价态：电价越高，ζ -电位越小；同价 离子半径越大，ζ -电位越低； ④矿物组成，形状粒度。ζ -电位的大小顺序 为： H+<Al3+<Ba2+<Sr2+<Ca2+<Mg2+<NH4+<K+<Na+<Li+
属于这一类流动的主要有高聚合物的溶液、乳浊液、 淀粉、甲基纤维素等
（5）膨胀流动
这一类型的流动曲线是假 塑性的相反过程。流动曲线通 过原点并凹向剪应力轴如图(b) 所示。这些高浓度的细粒悬浮 液在搅动时好像变得比较粘稠， 而停止搅动后又恢复原来的流 动状态，它的特点是强度随切 变速率增加而增加。 属于这一类流动的一般是非塑性原料，如氧化铝、 石英粉的浆料等。
第四章 表面与界面
目的要求：
• 1. 理解表面功、比表面吉布斯函数、表面 张力的概念。 • 2. 理解润湿现象及弯曲液面的附加压力， 并掌握其计算。 • 3. 掌握分散度与蒸汽压的关系，能解释各 种介稳现象（过冷液体、过热液体、过饱 和蒸汽、过饱和溶液、微小晶体的溶解 度）。
• 4. 弄清毛细现象的成因。明确吸附的概念 及分类。了解主要吸附剂。 • 5.了解固体对气体的吸附量的表示。 理解 兰格缪尔吸附理论的要点，并掌握其吸附 方程式的运用。 • 6. 了解表面活性物质的概念和分类。 • 7. 了解表面活性剂的应用（去污作用、减 水作用、助磨作用、起泡作用）
同号离子相互交换， 离子以等当量交换， 交换和吸附是个可逆过程， 离子交换并不影响粘土本身结构等特点。
聚合物的表面与界面
1、聚合物表面张力大小的影响因素：
（1）温度影响聚合物材料表面张力，一般情况下，表面张力随着温度升高而降低，而且近似一种线性关系。
（2）相对分子质量影响表面张力，一般情况，表面张力随分子量增大而降低。
（3）聚合物种类、聚合物物态、内聚能、溶解度参数。
界面张力小的含义：聚合物与聚合物相容性较好、界面层厚度较厚、溶解度参数接近。
反之，界面之间张力越大，两相之间相容性越差。
两相质点间结合力越大，界面能越小，界面张力就越小；两相间结合力小，界面张力就大。
相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力就小
9．表面张力与界面张力有何异同点？界面张力与界面两侧（两相）质点间结合力的大小有何关系？答：界面张力与界面自由能的关系相当于表面张力与表面自由能的关系，即界面张力与界面自由能的大小和单位也都相同。
表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面，而前者特指液体或固体与气体之间的交界面，但更严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。
广义上说，物体（液体或固体）与气相之间的界面能和界面张力为物体的表面能和表面张力。
当两个相共同组成一个界面时，其界面张力的大小与界面两侧（两相）质点间结合力的大小成反比，两相质点间结合力
越大，界面能越小，界面张力就越小；两相间结合力小，界面张力就大。
相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力就小。
物体的界面张力不变,界面自由能不变,界面结合力不变。
材料的表面与界面第一章 表面与界面的基础知识
表面张力和表面自由能是对同一表面现象从 力学和热力学角度所做的描述。
表面张力的力学概念直观、易应用，在分析 各种界面同时存在的各界面张力的平衡关 系时容易理解。
表面自由能的概念反映现象的本质，讨论表 面现象的各种热力学关系时应用表面自由 能概念更贴切和方便。
在采用适宜的单位时（如表面张力用mN.m-1, 表面自由能用mJ.m-2），同一体系的表面 张力和表面自由能数值相同。
的高度h服从washburn方程：h2=ctrcos/2η 和η为液体的表面张力和黏度；c为毛细管因子，r为与粉体
柱相当的毛细管平均半径，一般将cr作为仪器常数。
五. 浮选与接触角
测定接触角后可以用来计算固体的表面能， 润湿热，吸附量等有用的数据。
在工业上接触角的研究的最大应用在泡沫浮 选：在矿浆中加入起泡剂等后通入空气形 成泡沫，由于水对矿石粉不同组成的润湿 性质不同，有用矿粉体附着在泡沫上并上 浮分离，无用的矿粉体则沉入水底。每年 全世界用浮选法分离的矿石达到10亿吨以 上。
材料表面与界面研究的意义 材料的表面与其内部本体，无论在结构上还是在化学组成上都有明显
的差别，这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的， 而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的，因此产生了表面 能。对于有不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，某一 组分也可能富集在材料的表界面上。即使是单组分的材料，由于内部 存在的缺陷，如位错等，或者晶态的不同形成晶界，也可能在内部产 生界面。材料的表界面对材料整体性能具有决定性的影响，材料的腐 蚀、老化、硬化、破坏、印刷，涂膜、粘结、复合等等，无不与材料 的表界面密切有关。因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。
-GS=sg - lg - sl = S
材料科学与工程专业优质课材料表面与界面工程
材料科学与工程专业优质课材料表面与界面工程材料科学与工程专业是现代工程领域中的一个重要学科，其研究的核心是材料的结构、性能和制备方法。
材料的表面与界面工程是材料科学与工程中的重要分支，主要研究材料的表面特性及其对材料性能的影响，以及如何改善材料表面和界面的性能。
本篇文章将从理论层面和应用层面介绍材料表面与界面工程的研究内容、方法和意义。
一、材料表面与界面工程的研究内容材料表面与界面工程涉及诸多内容，主要包括表面改性、界面调控、界面精化和界面反应等方面。
表面改性是指针对材料表面性能不足或需求变化而进行的技术手段，如表面涂层、表面改性材料的制备等。
界面调控是指通过改变材料的表面结构、化学成分或表面形貌，调控材料与界面的相互作用，从而改变材料的性能和功能。
界面精化是指通过合理设计并优化材料的界面结构和界面缺陷，提高材料的界面性能和力学性能。
界面反应则是研究材料在界面上的相互作用及其反应机理，以及如何通过界面反应来改善材料的性能和使用寿命。
二、材料表面与界面工程的研究方法研究材料表面与界面工程的方法多种多样，常用的包括物理方法、化学方法和生物方法等。
物理方法主要依靠外界能量的作用，如激光辐照、电子束辐照等，对材料表面进行改性。
化学方法则是通过控制材料表面的反应条件、反应物浓度和反应时间等来实现表面的改性和调控。
生物方法则利用生物体内存在的各种酶、蛋白质等生物分子，通过特定的反应途径和交互作用来调控材料表面的性质和结构。
三、材料表面与界面工程的意义材料表面与界面工程对材料的性能和应用具有重要意义。
首先，表面改性可以改变材料的疏水性、导电性、机械性能等，从而使材料适应不同的工程需求；其次，通过界面调控和精化，可以改善材料的界面粘附性、界面耐磨性和界面化学稳定性，提高材料的界面载荷传递能力和界面腐蚀抗性；最后，通过界面反应可以提高材料的界面强度和界面连接性能，解决各种界面问题，如界面结合强度不足、界面断裂等。
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。
1.11聚合物基复合材料界面(精)
•
• 3）减弱界面局部应力作用理论 • 当聚合物基复合材料固化时，聚合物基体产生收缩。而且，基体与纤 维的热膨胀系数相差较大，因此在固化过程中，纤维与基体界面上就会产生 附加应力。这种附加应力会使界面破坏，导致复合材料性能下降。此外，由 外载荷作用产生的应力，在复合材料中的分布也是不均匀的，因从复合材料 的微观结构可知，纤维与树脂的界面不是平滑的，结果在界面上某些部位集 中了比平均应力高的应力，这种应力集中将首先使纤维与基体间的化学键断 裂，使复合材料内部形成微裂纹，这样也会导致复合材料的性能下降。
• 2）浸润理论 • 两相间的结合模式属于机械粘接与润湿吸附。物理吸附主要是范德华 力的作用，使两相间进行粘附。两组分间如能实现完全浸润，则树脂在高能 表面的物理吸附所提供的粘接强度，将大大超过树脂的内聚强度。 要获得好的表面浸润，基体起初必须是低粘度，且其表面张力低于无 机物表面临界表面张力。一般无机物固体表面具有很高的临界表面张力。但 很多亲水无机物在大气中与湿气平衡时，都被吸附水所覆盖，这将影响树脂 对表面的浸润。
• 4）摩擦理论 • 基体与增强材料间界面的形成(粘接)完全是由于摩擦作用。两者间的摩擦 系数决定了复合材料的强度。偶联剂的作用在于增加了两相间的摩擦系数，使 复合材料的强度提高。 对于水等低分子物浸入后，复合材料的强度下降，但干燥后强度又能部 分恢复的现象，这是由于水浸入界面后，基体与增强材料间的摩擦系数减小， 界面传递应力的能力减弱，故强度降低，而干燥后界面内的水减少，基体与增 强材料间的摩擦系数增大，传递应力的能力增加，故强度部分地恢复。
• 聚合物基复合材料界面的形成大体分为两个阶段： 1、基体与增强材料的接触与润湿过程。 2、聚合物的固化过程。
聚合物基复合材料的界面结构
界面聚合的实验报告
一、实验目的1. 了解界面聚合的基本原理和过程；2. 掌握界面聚合实验操作方法；3. 熟悉界面聚合实验中常见问题的解决方法。
二、实验原理界面聚合是一种特殊的聚合反应，反应物分别溶解于两种互不相溶的溶剂中，聚合反应仅发生在两相界面处。
界面聚合具有以下特点：1. 反应速度快，产率高；2. 反应过程可控，易于实现；3. 产物分子量分布均匀，具有良好的重复性。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：- 两种单体（A和B）- 两种溶剂（水相和有机相）- 引发剂- 表面活性剂- 混合器2. 实验仪器：- 容量瓶- 移液器- 恒温水浴- 分光光度计- 真空干燥箱四、实验步骤1. 准备溶液：- 将单体A溶解于水相溶剂中，配制成一定浓度的溶液；- 将单体B溶解于有机相溶剂中，配制成一定浓度的溶液；- 将引发剂溶解于水相溶剂中，配制成一定浓度的溶液；- 将表面活性剂溶解于有机相溶剂中，配制成一定浓度的溶液。
2. 混合溶液：- 将水相溶液和有机相溶液置于混合器中；- 加入引发剂和表面活性剂；- 搅拌均匀，使两相充分混合。
3. 反应：- 将混合溶液置于恒温水浴中，保持一定温度；- 反应一定时间后，取出溶液；- 将溶液进行离心分离，得到聚合物产物。
4. 测定：- 使用分光光度计测定聚合物产物的吸光度；- 根据吸光度计算聚合物产物的浓度；- 根据聚合物产物的浓度和反应时间计算聚合反应速率。
五、实验结果与分析1. 实验结果：- 通过实验，成功制备出聚合物产物；- 聚合物产物的吸光度与反应时间呈正相关关系；- 聚合物产物的浓度随反应时间增加而增加。
2. 结果分析：- 界面聚合实验成功的关键在于选择合适的单体、溶剂、引发剂和表面活性剂； - 反应温度和反应时间对聚合物产物的性能有重要影响；- 通过调整反应条件，可以实现对聚合物产物性能的调控。
六、实验结论通过本次实验，我们了解了界面聚合的基本原理和过程，掌握了界面聚合实验操作方法，并分析了实验结果。
表面与界面习题
Chapter11、表面与界面的定义。
1）表面：固体与真空的界面；2）界面：相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”2、叙述表面与本体的不同点。
表面与本体：结构、化学组成、性质都存在不同。
材料与外界的相互作用是通过表面来进行的。
因此，表面具有特殊性，它的性质将直接影响材料的整体性质。
材料的性质虽然与组成的本体有关，但其表面对性能的影响却占很大的比重。
因为，不少性能是通过表面来实现的，如表面硬度、表面电导，同时，材料某些性能将通过表面受到外界环境的影响。
3、什么叫相界面？有哪几类？1）相界面：相邻相之间的交界面成为相界面。
2）分为3类：固相与固相的界面，固相与气相的界面，固相与液相的界面。
4、材料表面与界面的表征手段有哪些？材料表面与界面的表征主要通过对比表面积、表面张力（表面能）等测定来实现1）比表面积a静态吸附法（BET）（测量准确度和精度都很好，但达到吸附平衡慢，仪器装置较复杂，需要高真空系统，并且要使用大量的汞，逐步被动态吸附法所取代）b动态吸附法：常压流动法，气相色谱法（操作简单而快速）2）表面张力a高聚物熔体表面张力外推法（Y*T成直线关系，测定不同温度下高聚物熔体的表面张力，外推到20°C时的表面张力）b Zisman的浸润临界表面张力法（测定固体在已知表面张力的液体中的接触角）C还有几何平均方程求解法、状态方程测求法等等d理论计算：等张比容法、内聚能密度法、Tg参数计算法5、试述表面张力产生的原因。
材料的表面结构和性质与其本体有明显的差别，这是因为位于材料本体的原子受到周围原子的相互作用是相同的，处于对称力场之中，总的作用之和等于0；而处于表面的原子只有局部受到与本体相同的相互作用，而其余的部分则完全不同，表面由此产生表面张力。
6、单位体积的物体所具有的表面积称为比表面，请得出下列结果：（1）半径为r的球形颗粒，其比表面为：（2）质量为m，密度为p的球形颗粒的比表面：（3）边长为L的立方体的比表面为：（4）质量为m，密度为p的立方体的比表面为：沪3［欝严［韵"7•水蒸气迅速冷却至25C会发生过饱和现象。
光催化混凝土综述(表面与界面)-田浩
光催化混凝土综述摘要：文章简要介绍了光催化的发展历史，材料表面和界面，光催化混凝土的制备方法及其应用实例。
并且简单总结了光催化混凝土存在的一些未解决问题。
关键字：光催化混凝土界面剂氮氧化物1.光催化应用的发展历史1972年，Fujishima[1]和Honda在《Nature》上发表了一篇关于n-型半导体TiO2电极上发现光催化分解水的文章，继而首次提出将TiO2作为光催化剂的构想，揭开了多相光催化的序幕。
1976年加拿大科学家Carey[2]首次报道了利用TiO2/UV的光催化分解多氯联苯的研究，这是在光催化降解水中污染物方面的开拓性工作，开辟了光催化技术在环境保护领域的应用前景。
20 世纪90 年代初期，纳米光催化剂已广泛地应用于建筑外墙材料和内部装饰材料以及卫浴材料中。
1996年，日本首先提出将TiO2作为一种空气净化催化剂，随后几年里市场上就有了大量用于室内或者室外的空气净化产品。
2002年在日本东京由Kawasaki重工有限公司生产的Folium光催化剂产品已成功应用于公路、隧道、高速公路隔音板、收费站等。
同年意大利米兰用光催化剂和水泥混合浆料涂覆一条7000m的马路，长期使用后测定路面上光催化剂对氮氧化物的催化氧化效率仍然可达到20%以上。
2003 年，日本国内所销售的光催化建筑材料占整个光催化市场60%的份额[3]。
世界上其他国家也相应的进行了这方面的研究。
2.材料表面和界面任何材料都有与外界接触表面或与其他材料区分的界面,材料的表界面在材料科学中占有重要的地位。
材料的表面与其内部本体,无论在结构上还是在化学组成上都有明显的差别,这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的,而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的,因此产生了表面能。
对于不同组分构成的复合材料,组分与组分之间可形成界面,某一组也可能富集在材料的表面上。
即使是单组分的材料,由于内部存在的缺陷(如位错等)或者晶态的不同形成晶界,也可能在内部产生界面。
材料表面与界面
可采用红外光谱法分析表面官能团的种类。
透射法――abrasion法； 表面反射法： ATR法（attenuated total internal reflection）衰减全反射法MIR法（multiple internal reflection）多重内 反射法
FT－IR法： FT－IR －ATR差谱、FT－IR高灵敏度反射法、 FT－IR－扩散反射法等。
③结晶性的评价 聚合物表面结晶情况如何将大大影响聚合物的表面性质。是什么样的结晶？结晶度如何？对结晶度定量化 目前很难，只能采取定性的方法。
1)由表面张力进行推测 通常，在结晶性高的表面上单位面积上的原子或分子的密度大。 分子密度大的表面分子间力大于内部分子间力之和，表面的分子间力通常用表面张力来表示。
材料表面与界面
第七章 聚合物表面与界面概述 （Polymer Surface and Interface） 7.1 概述 随着聚合物制品的品种不断的增多，人们不仅希望制品存在优异的内在性能，而且对其表面性质的要求也越来越高。 要求制品有精美的外观以提高制品的商品价值； 要求制品具有某些特殊的表面性能以满足制品的各种使用要求。 这除了需要开发新品种以满足要求外，主要靠材料的表面改性来实现。
α
A
A′
S
S′
B
B′
β
α与β为不同的两个物质，它们接触到一起就会产生界面。
SS′为两相接触的面（相界面），为了方便处理，通常将界面看作一个虚构的几何面。
AA′与BB′之间的部分为界面相，很薄，几个分子厚。
许多研究者已经证实：处于两相间的交界部分乃是一个具有一定厚度（厚度很小，一般只有零点几纳米到几纳 米，通常小于0.1μm）的区域，物质的组分和能量可以通过这个区域从一个相连续地变化到另一个相。这层的结构和 性质与相邻两相的结构和性质都不一样。在界面区域内压力是不均一的，在垂直于界面的方向上存在压力梯度。与此 相反，在本体相区域内压力是均一的，不存在着梯度，并且是各向同性的。在本体相区域内可逆地输送物质不会消耗 净能量。
《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
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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
聚合物基复合材料的界面改性技术
聚合物基复合材料的界面改性技术在现代材料科学领域中，聚合物基复合材料因其优异的性能而备受关注。
然而，要充分发挥这些材料的潜力，界面改性技术是关键环节之一。
聚合物基复合材料通常由聚合物基体和增强材料组成。
界面作为连接这两种不同性质材料的区域，其性能对复合材料的整体性能有着至关重要的影响。
如果界面结合不良，会导致应力传递不畅、容易产生裂纹等问题，从而降低复合材料的力学性能和耐久性。
目前，常见的界面改性技术主要包括以下几种。
化学改性是一种重要的方法。
通过在增强材料表面引入特定的化学官能团，可以增强其与聚合物基体的相容性和化学键合能力。
例如，对碳纤维进行表面氧化处理，增加其表面的含氧官能团，能显著提高与环氧树脂等基体的结合强度。
这种方法可以有效地改善界面的粘结性能，提高复合材料的力学性能。
物理改性也是常用的手段之一。
其中，等离子体处理是一种较为先进的技术。
等离子体中的高能粒子能够对增强材料表面进行刻蚀和活化，从而改变其表面的粗糙度和化学组成。
经过等离子体处理后的增强材料，表面能增加，与聚合物基体的浸润性得到改善，进而提升了界面的结合效果。
还有一种方法是使用偶联剂。
偶联剂分子一端能与增强材料表面发生反应，另一端则能与聚合物基体相互作用，从而在两者之间建立起有效的桥梁。
例如，硅烷偶联剂在玻璃纤维增强聚合物复合材料中得到了广泛应用。
它能够显著提高玻璃纤维与聚合物基体之间的界面结合强度，增强复合材料的综合性能。
除了上述方法，对聚合物基体进行改性也是一种有效的途径。
通过共聚、共混等手段，改变聚合物基体的化学结构和物理性能，使其与增强材料更好地匹配。
例如，在尼龙基体中引入弹性体组分，可以提高其韧性，从而改善与增强纤维的界面性能。
在实际应用中，往往会根据具体的材料体系和性能要求，综合运用多种界面改性技术。
以碳纤维增强环氧树脂复合材料为例，如果单纯采用化学改性处理碳纤维，虽然能够在一定程度上提高界面结合强度，但可能会对碳纤维的力学性能造成一定损伤。
聚合物基复合材料的界面
调节界面内应力和减缓应力集中
解决方法：
(1) 控制复合材料成型中的冷却历程；对材料进行适当热处理； (2) 在增强材料与基体间引入一层可形变的界面层。
4.金属基复合材料界面设计
① 希望增强材料与基体之间具有良好的润湿性， 粘着强，有利于界面均匀、有效地传递应力； ② 增强材料与基体润湿后互相间发生一定程度的 溶解，保持适宜的界面结合力，提高复合材料的 强韧性；
界面结合状态抗张强度mpa断口形貌结合不良断口形貌结合不良206纤维大量拔出长度很长呈刷子状结合适中纤维大量拔出长度很长呈刷子状结合适中612有的纤维拔出有一定长度铝基体发生颈缩可观察到劈裂状结合稍强有的纤维拔出有一定长度铝基体发生颈缩可观察到劈裂状结合稍强470出现不规则断面可观察到很短的拔出纤维结合过强224典型的脆性断裂平断口表碳纤维增强铝的抗张强度和断口形貌2
最重要的结合方式。
反应结合的本质：能够发生反应的两种元素或化合物，通 过相互接触和相互扩散发生某种化学反应。随反应程度的 增加，界面结合强度也增大，但由于界面反应产物多为脆 性物质，所以当界面层达到一定厚度时，界面上的残余应 力可使界面破坏，反而降低界面结合强度。要实现良好的 反应结合，必须选择最佳的制造工艺参数(温度、压力、 时间、气氛等)来控制界面反应的程度。
例2 碳纤维增强镍基复合材料。在800℃高温下，在界面碳先溶 入镍，而后又析出，析出的碳是石墨结构，密度增大而在界面留 下空隙，给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置。而且随温度的 提高镍渗入量增加，在碳纤维表层产生镍环，严重损伤了碳纤维， 使其强度严重下降。
如何防止碳在镍中先溶解 后析出的问题，就成为获得 性能稳定的Cf / Ni的关键。
在某些金属基复合材料体系中，采用基体合金中添加 某些合金元素以改善增强材料与基体之间的浸润条件或有
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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)。
中红外区是红外光谱应用最广的部分，有机化合物的红外吸收光谱都在此范围。
红外吸收光谱是由于分子不停振动和转动引起的。
振动可分两大类：一类是原子沿键轴方向伸缩使键长发生变化的振动，称为伸缩振动，用符号ν表示。
这种振动可分为对称伸缩振动和非对称伸缩振动；另一类是原子垂直于价键方向的振动，此类振动会引起分子内键角发生变化，称为弯曲(或变形)振动，用δ表示。
这种振动又可分为面内弯曲振动(包括平面及剪式振动)、面外弯曲振动(包括非平面摇摆及弯曲摇摆两种振动)。
分子振动的能量正好与红外线的光量子能对应，所以红外线激发分子的振动产生红外吸收光谱。
反射红外光特别是衰减全反射红外光谱是最常见的表面分析方法。
尤其是在表层厚度大，而底层信号弱又单纯时是相当有效的方法，对于聚合物材料，其广泛用于涂膜及层压薄膜的分析。
可它在红外区域的测定深度一般是2μm左右，由于测定深度较深，所以与其说是得到表面信号，还不如说是得到了本体信号。
使用傅里叶变换红外光谱时，虽然这种测定深度没有变，但由于它具有较高灵敏度并用计算机来处理数据，所以能够对各种典型表面进行高灵敏度的测定。
其核心部分是一台双光束干涉仪，由两个互相成为直角的平面镜和一个与平面镜成45°角的分光束板组成。
其中一面镜子和分束板固定，另一平面镜保持垂直方向恒速往延动，分束板将来自光源的光分50％透过，50％反射。
当动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图经过傅里叶变换的计算机运算后，转换成一般的红外光谱图。
该技术在应用上有以下优点：①可检测含量小到0．5％或20μg的试样；②测定时间短，分辨率为l0cm-1时约为1s；③可检测单分子层的吸附；④可以对聚合物化学键的振动进行判断；⑤可检测单晶的红外光谱；⑥可进行对聚合物构象敏感的红外光谱带的研究。
所以从发展趋势看，傅里叶变换红外光谱对表面分析具有重要的意义。
1．1．2 红外光谱在聚合物表面的研究很多高聚物材料(如橡胶制品、纤维、复合材料及表面涂层等)用一般透射光谱法测量往往有困难，可以在傅里叶红外光谱仪中安装衰减全反射附件，使用内反射技术来测定样品表面的红外光谱。
例如有一种未知薄膜，用透射方法测量，从得到的谱图只能看出主体可能是聚酰亚胺。
若测定薄膜正反两面，得到的谱图如图1．1所示，由图中可看出两面的谱图是不同的，与标准谱图对照后可推断是聚均苯四酰亚胺涂在氟化乙丙烯薄膜上。
1．1．3 衰减全反射光谱光入射到透明而折射率又不同的两种介质的分界面时，若光由折射率大的介质侧入射，则此时在界面上的反射现象称内反射(internal reflection spectroscopy)，简称IRS，也叫衰减全反射光谱(attenuated total reflection)，简称ATR。
ATR是一种以内反射为基础的方法，当光由折射率大的介质入射至介质1与介质2的界面处时，发生内反射，如图1．2所示θc是入射光刚好发生全反射时的入射角，称临界角。
当入射角大于θc时，则入射光不会发生折射，而是在界面处发生全反射。
当一个能选择性地吸收辐射光的聚合物试样与另一个折射率大的反射面紧密接触时，则会发生某些频率的入射光被吸收，而不被吸收的光被透过和反射，此时辐射光发生了衰减，被衰减了的辐射线通过红外分光光度计测量，对强度与波长或波数作图，即为试样的内反射吸收光谱。
ATR可用于多种物质的表面的研究：①聚合物薄膜、黏合剂、纸和纸的涂料、粉末、颜料、纤维和泡沫塑料表面等的定性析。
②单分子层的研究。
③利用偏振光研究高分子薄膜和拉伸纤维中的分子取向情况。
④透明聚合物折射率等光学常数的测定。
⑤聚合物表面发生氧化、分解及其他反应的研究。
⑥机器加工、人的操作处理和容器贮存中引起表面污染的研究。
⑦聚合物表面的定量分析。
⑧聚合物表面的扩散、吸附及聚合物内低分子成分迁移表面的研究。
ATR对聚合物表面的研究已经有很多实例。
Carls—son利用ATR法通过光照射来分析聚丙烯(PP)薄膜上生成的C—O与一COOH基。
测定是通过改变n1与θ来进行，以此测定为基础来假定深度方向分布函数。
Jakobsen研究了金属表面上从溶液吸附的长链脂肪酸分子的分子取向。
根据他的研究，羧基因吸附在金属表面而发生离子化，并以COO—的两个氧原子与金属形成螫合形态进行配置，这种配置方法与Allara用反射吸收红外法测定吸附在金属表面上的长链脂肪酸分子取向的结果完全一样。
1．2 X射线光电子能谱在聚合物表面分析中的应用1．2．1 X射线光电子能谱基本原理X射线光电子能谱仪(XPS)结构示意如图1．3所示。
X射线光电子能谱仪简称XPS，是用X射线作激发源，由以下几部分组成：真空室及与其相应的抽气系统；样品引进和操纵系统；X射线源；电子能量分析器及与其相连的输入(或传输)电子光学透镜系统；电子检测系统及基于PC机或工作站的服务性数据处理系统，两者同时控制能谱仪操作并提供处理数据的手段。
其基本结构如图1．3所示。
X 射线通常是用一定能量的电子轰击用某些物质作成的靶子 (阳极)，这样在原子内壳层上产生了空穴，内壳层上的空穴被外层的电子以辐射跃迁的形式填补时，将以特征X 射线的形式释放出多余的能量。
电子能量分析仪的作用是通过对来自发射表面的光电子能量的分析，以获得样品表面的各种信息。
由于表面分析能谱所要检测的对象是动能很低的光电子，因此电子能量检测系统用电子倍增器和电子倍增管以满足检测要求。
XPS 的基本原理是光电效应，光电效应是指当一种具有一定能量的光照射到物质表面上时，入射光子会把能量全部转换给物质中原子的某一个束缚电子，光子湮灭，若该能量足够可以克服该束缚电子的结合能，剩下的能量作为该电子逃离原子的动能。
这种被光子直接激发出来的电子称为光电子，这个过程称为光电效应。
如果以光电子的动能分布为横坐标，相对强度为纵坐标，那么所记录的谱峰为光电子能谱图。
图1．4是聚四氟乙烯(PTFE)XPS 谱。
原子的电子层分布可分为两个区域，第一个区域是外壳层的价电子层，第二个区域是内壳层。
激发内壳层电子时，需要用高能的X 射线作为激发源，激发价电子时，需要用低能的紫外线作为激发源。
根据爱因斯坦光电效应定律，原子中的电子结合能E b 应服从下列关系，即k νb E h E -=式中，E k 为光电子动能；h ν为激发光能量；E b 是固体中电子结合能。
因为h ν是已知的，通过对E k 的测定，就可以计算出E b 。
E k 的测定可以通过电子分析器来完成。
X 电子能谱的有效探测深度：金属是0．5～2．0nm ；氧化物是2．0—40nm ；有机物和聚合物是4．0—10．0nm 。
虽然绝对灵敏度很高，但是相对灵敏度不高，一般只能检测出样品中的0.1％以上的组分。
在X 光电子能谱中有时还有电子振起和电子振离伴峰，它是光电效应过程中的两个过程，即当一个内层电子发射时，由于屏蔽电子的损失，原子的有效电荷发生突变，此时伴随正常的光致电离，引起电荷重新分布，从而引起外层电子的激发或电离，从其轨道上以一定概率激发跃迁到外层更高束缚能级的激发态轨道上，此过程称为电子振起。
振起过程使某些正常能量的光电子失去一部分固定能量，在XPS 谱图中主峰的高结合能端形成一个与主峰有一定间距的振起伴峰。
振起峰是一种比较普遍的现象，在芳香体系中振起峰是指Л-Л*跃迁。
由于这种振起伴峰常常涉及价电子跃迁，因此这种振起伴峰在化学态中有很强的指纹作用。
特别是在聚合物研究中，更明显地看出了这一点。
振离和振起的差别是外层电子不是被激发到外层的束缚能级上，而是跃迁到自由态。
被激发出的原子内壳层的光电子是得到原子特征信息的直接方法。
如果激发源的能量足够高，就可以得到元素周期表中除H 和He 以外的全部内层能级谱。
在一般情况下，各个能级的强度是不一样的，其峰位一般很少重合，因此可以利用内层光电子峰的位置和强度作为指纹特征对其进行元素定性。
X 射线电子能谱的定量分析已有几种模型，其中较常用的一种定量方法是原子灵敏度因子法(ASF)。
这种方法是光电子峰面积与原子含量间的关系通过灵敏度因子联系起来。
∑=N j jj xx x S IS I n // 式中，I x 为元素X 的峰面积；S x 为元素X 相应能级的灵敏度因子；n x 为元素X 在样品中的原子个数的百分含量；N 为样品中总的元素数目。
1．2．2 X 射线光电子能谱在聚合物表面结构研究中的应用在表面分析中，以高识别能力来探测表面化学是非常重要的。
而XPS 是表面化学分析中最有效的分析方法。
鉴于高聚物体系的特点，在对它的表面结构进行分析时，从大量的研究工作中已经证实XPS 最为合适。