第六章 高分子材料表面能谱分析法
表面分析方法PPT课件
– LEED所用的LaB6灯丝，STM中用来防振荡的氟化 橡胶（Viton)，AFM所用的探针等都是材料科学发 展的新产物。
04.02.2021
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“表面”的概念
• 过去，人们认为固体的表面和体内是完 全相同的，以为研究它的整体性质就可 以知道它的表面性质，但是，许多实验 证明这种看法是错误的；
• 关于“表面”的概念也有一个发展过程， 过去将1厚度看成“表面”，而现在已把 1 个或几个原子层厚度称为“表面”，更 厚一点则称为“表层”。
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表面分析方法的特点
• 用一束“粒子”或某种手段作为探针来探测样 品表面，探针可以是电子、离子、光子、中性 粒子、电场、磁场、热或声波（机械力），在 探针作用下，从样品表面发射或散射粒子或波， 它们可以是电子、离子、光子、中性粒子、电 场、磁场、热或声波。检测这些发射粒子的能 量、动量、荷质比、束流强度等特征，或波的 频率、方向、强度、偏振等情况，就可获得有 关表面的信息。
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显微镜类 分辨本领 型
人眼
0.2mm
工作条件 工作温度 样品 损伤
光学显微 镜
SEM（二 次电子）
0.2m
横向：6nm 纵向：较低
高真空
低温、室 轻微 温、高温 损伤
TEM
横向：点3~5 高真空 Å，线1~2 Å
纵向：很差
低温、室 中等 温、高温 程度
损伤
FIM
横向：2 Å 超高真空 30~80K 严重
– 自由电子的动能Ek 。
则 h＝ Eb＋ Ek ＋
高分子材料分析方法
以下资料由华碧实验室整理收集高分子材料分析方法高分子材料作为一种重要的材料，经过约半个世纪的发展已在各个工业领域中发挥了巨大的作用。
高分子材料工业不仅要为工农业生产和人们的衣食住行用等不断提供许多量大面广、日新月异的新产品和新材料，又要为发展高技术提供更多更有效的高性能结构材料和功能性材料。
除熟知的塑料、橡胶、纤维三大类合成材料外，还包括涂料、胶黏剂、液晶、离子交换树脂、生物医用高分子材料、复合材料以及各种高功能高分子。
高分子材料成分分析是通过多种分离技术，利用各种分析仪器进行表征，完成对待检样品的未知成分定性、定量分析的过程。
针对高分子材料的特点，分析方法也应具有一定的针对性，华碧实验室总结了以下几种对高分子材料成分分析常见方法，希望能为大家提供测试帮助。
一．GC-MS气相色谱-质谱联用法GC-MS主要用于高分子材料中助剂的分离、定性及定量。
一般是将高分子材料中的助剂与树脂分离后，通过气相色谱柱将不同助剂进行分离，再与质谱中标准谱图对照进行定性，结合标准样品进行定量。
高分子材料成分分析中，主要用来分析一些低沸点且热稳定性好的有机添加剂。
二．PY-GC-MS热裂解-气相-色谱质谱法PY-GC-MS采用热裂解器对有机聚合物体系进行高温裂解，通过对裂解片段进行气相色谱质谱测试，得到物质结构的片段信息，从而对聚合物单体进行定性分析或者了解样品裂解产物。
可分析涂料、橡胶、高聚物的组成、各组分含量及组分结构鉴定等。
另外也可以分析高分子材料中的一些添加剂。
三．DSC差示扫描量热法DSC是一种热分析法。
在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差与温度的关系。
差示扫描量热仪记录到的曲线称DSC曲线，它以样品吸热或放热的速率，可以测定多种热力学和动力学参数，例如比热容、反应热、转变热、相图、反应速率、结晶速率、高聚物结晶度、样品纯度等。
该法使用温度范围宽、分辨率高、试样用量少。
适用于无机物、有机化合物及药物分析。
第6章-高分子材料的表面张力
水＋2.3% 癸烷 水＋4.9% 癸烷 水＋3.4% 癸醇 水＋8.5% 癸醇 水＋16.6% 癸醇
7
（4）温度的影响
离子型表面活性剂水溶液中，温度升高会
导致胶束聚集数降低，但影响不太大。
非离子型表面活性剂，则温度升高，聚集
数急剧增大，尤其在浊点附近。
8
温度对胶团量及聚集数的影响
温 度/ ℃ 10 25 38 43 Mn×104 1.6 2.55 7.10 18.4 聚集数n 32 52 144 372
基于高分子熔体表面张力测试技术上的困难，测试的结果肯 定不如小分子液体那样可靠，而且不同方法测试的结果可能 会有较大差别。
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● Macleod （麦克劳德）方程：
0
ρ为密度，n 为常数
n
log n log A
•密度一般随温度升高而下降。方程同样表 明表面张力随温度升高而下降。对聚合物 来说，n值从3.0变化到4.4，可近似取作4.
例：计算聚四氟乙烯（PTFE)和(PP)聚丙烯的表面张力,已知：
VPTFE=45.5cm3/mol;Vpp=46.2cm3/mol
解：
聚四氟乙烯 ∑Fs=2×150=300 Ns=6 σPTFE=0.327[300/6]1.85[6/4 5.5]1.52 =21×10-3N/m 实验值18.4×10-3N/m
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6.2
表面张力与表面形态的关系
高分子聚合物往往是晶态与非晶态共存的。由于 晶态的密度高于非晶态，因此晶态的表面张力高 于非晶态。 高聚物熔体冷却固化时，通常表面生成非晶态高 聚物，本体则富集晶态高聚物，以降低体系的能 量。 如果使高聚物熔体在具有不同成核活性（或不同 表面能）的表面上冷却，可得到结晶度不同的表 面，这类表面具有不同的表面张力。
高分子材料分析与测试
高分子材料分析与测试引言高分子材料是一类重要的工程材料，在各个领域有着广泛的应用。
为了确保高分子材料的质量和性能，对其进行准确的分析与测试是至关重要的。
本文将介绍高分子材料分析与测试的基本原理、常用方法和技术，并对其在实际应用中的重要性进行讨论。
1. 高分子材料的特性分析高分子材料具有许多特殊的性质，如高分子链结构、长链分子的柔性和高分子材料的热性能等。
为了准确分析和测试高分子材料的特性，我们需要运用一些常用的分析方法。
下面介绍几种常用的高分子材料特性分析方法：•红外光谱分析：红外光谱是一种常见的高分子材料分析方法，通过对材料吸收、发射或散射红外辐射进行分析，可以确定材料的化学成分和结构。
•热分析：热分析是一种通过加热样品并监测其温度和质量变化来分析材料热性能的方法。
常见的热分析方法包括热重分析（TGA）和差热分析（DSC）等。
•X射线衍射（XRD）：XRD是一种通过测量材料对入射X射线的衍射情况来分析其晶体结构的方法。
通过XRD可以确定高分子材料的结晶性质和晶格参数。
•核磁共振（NMR）：核磁共振是一种通过测量材料中核自旋的共振现象来分析材料结构和化学环境的方法。
在高分子材料分析中，NMR可以提供关于材料分子结构、分子量和链结构等信息。
2. 高分子材料的力学性能测试高分子材料的力学性能是评价其质量和使用性能的关键指标之一。
为了准确测试高分子材料的力学性能，常用的测试方法包括：•拉伸测试：拉伸测试是一种通过施加拉伸力来测量材料在拉伸过程中的力学性能的方法。
通过拉伸测试可以确定高分子材料的强度、延展性和弹性模量等指标。
•弯曲测试：弯曲测试是一种通过施加弯曲力来测量材料在弯曲过程中的力学性能的方法。
通过弯曲测试可以确定高分子材料的弯曲强度和弯曲模量等参数。
•硬度测试：硬度测试是一种通过在材料表面施加静态或动态载荷来测量材料硬度的方法。
常用的高分子材料硬度测试方法包括巴氏硬度和洛氏硬度等。
•冲击测试：冲击测试是一种通过施加冲击载荷来测量材料抗冲击性能的方法。
谱能分析法简介 ppt课件
第二部分 检测原理
检测原理
❖ 压浆饱满度 ❖ 有效预应力
水泥浆包裹情况 张拉锁定后相对稳定的预应力值
压浆饱满度检测
原理
利用待检物体在不同环境条件下的振动特征，计算 其主频谱能比，并根据比值来判断待检物体的包裹状 态，综合各待检物体在断面所处状态，既是在该位置的 压浆密实状况，也就是压浆饱满度。
检测仪器
主机＋平板
最大300m无线通信 重量不到3Kg，放入背包
全触摸操作直观流畅 现场显示成像结果
优势
给出剩余预应力大小值 全段检测，无检测死角 对缺陷进行方向定位 同束检测对象不均匀度
“我们的工作是让您更好的工作”
谢谢观看，敬请指导！
波动法
S=21.4 kN S=41.4 kN S=65.7 kN S=80.2 kN S=101.3 kN S=119.6 kN S=143.7 kN
V=2.08 km/s V=2.49 km/s V=2.87 km/s V=3.18 km/s V=3.45 km/s V=3.80 km/s
V=1.45 谱能比；ω1、ω2 — 被检测物频响范围；ω — 角频率；t — 时间
通过傅里叶变换获得检测记录信号的频谱信息F（ω），然后计算被检 对象物性信号的能量（频响带谱线轮廓面积）与总能量（全频段谱线轮廓面
积）之比，为谱能比分析方法。
发明专利
一种基于谱能比的 数字信号分析方法
专利号：ZL 2012 1 0056010,8
有效预应力检测
验证
在试验室“静锚固试验机”上，对给定张应力下的已知钢绞线进行激振频率测量。
通过对钢绞线在不同拉力荷载F下记录到的声波反射记录谱能比曲线图分析。
有效预应力检测
高分子材料的质量标准及检验方法
高分子材料的质量标准及检验方法高分子材料是一类重要的材料，主要包括塑料、橡胶和纤维。
高分子材料的质量标准和检验方法对于保证产品质量的稳定性和可靠性至关重要。
本文将从材料物理性能、化学性能、耐候性能、力学性能、热性能和表面性能等方面介绍高分子材料的质量标准及检验方法。
一、材料物理性能的质量标准及检验方法高分子材料的物理性能包括密度、熔点、玻璃转化温度等。
对于高分子材料来说，密度是一个重要的物理性能，它直接影响材料的重量和成本。
检验方法一般采用浮力法或密度计进行测定。
二、材料化学性能的质量标准及检验方法高分子材料的化学性能包括与酸、碱和溶剂的耐受性、吸湿性以及电气性质等。
检验方法主要包括酸碱溶胀实验、吸湿实验和电性能测试。
三、材料耐候性能的质量标准及检验方法高分子材料的耐候性能是指材料在光、热、氧等外界环境作用下的稳定性能。
检验方法主要包括光照老化试验、热氧老化试验等。
四、材料力学性能的质量标准及检验方法高分子材料的力学性能包括拉伸强度、弯曲强度和冲击强度等。
检验方法主要包括拉伸试验机、弯曲测试仪和冲击试验机。
五、材料热性能的质量标准及检验方法高分子材料的热性能包括熔融温度、热稳定性和热导率等。
检验方法主要包括热分析仪和热导率测试仪。
六、材料表面性能的质量标准及检验方法高分子材料的表面性能包括光泽度、表面硬度和耐刮花性等。
检验方法主要包括光泽度计、硬度计和耐刮花试验机。
总之，高分子材料的质量标准及检验方法是保证材料质量的重要手段。
通过对材料的物理性能、化学性能、耐候性能、力学性能、热性能和表面性能的检测，可以有效评估材料的性能，从而保证产品的质量稳定性和可靠性。
在实际生产过程中，应根据产品的需求和使用环境来选择合适的标准和检验方法，确保高分子材料的优良性能。
七、投料和原材料的质量标准及检验方法除了对成品的质量进行检验外，对投料和原材料的质量也是非常重要的。
投料和原材料的质量直接影响着最终产品的质量稳定性和可靠性。
第6章-高分子材料的表面改性方法
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火焰处理和热处理
● 火焰处理的原理：火焰中含有许多激活的自由基 、离子、电子和中子，如处于激发态的O、NO、 OH和NH等。这些基团能从夺取聚合物表面的氢 ，随后按自由基机理进行表面氧化反应，使聚合 物表面生成羰基、羧基、羟基等含氧活性基团和 不饱和双键，从而提高聚合物的表面活性。
• 火焰氧化是由存在于火焰中的自由基引发的，由于火焰中 的自由基快速产生，大量存在，聚合物自由基的产生已不 是速度决定步骤，所以抗氧剂对火焰氧化没有影响。
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6.3 等离子体表面改性
● 等离子体被称为是物质的第四态，其实质是电离的 气体。与普通气体不同，它是由电子、原子、分子、自
由基、光子等粒子组成的集合体，正负电荷数相等，体 系为电中性。 ● 等离子体中的电离气体都是发光，电中性的，由电晕放 电、高频电磁振荡、激光、高能辐射以及其他方法产生 出来的。 ● 地球电离层外的整个宇宙中，绝大部分物质以天然等离 子体态存在，如太阳和所有恒星、星云都是等离子体。
• 表面张力与分子结构的关系 • 表面张力与内聚能密度
• 共聚、共混对表面张力的影响
2
• Good-Girifalco方程
• 固体的临界表面张力等于与该固体上接触角恰好为零的液体的表面张力 • 由Young方程，Good-Girifalco方程和Zisman的临界表面张力可导出
状态方程：
3
引言
• 聚合物表面：表面能低、化学惰性、表面被污染以 及存在弱边界层等问题。
一些化学键的键能为：（eV）
C-H 4.3
C=O 8.0 C-N 2.9
第六章 表面分析技术
Binding Energy (eV)
(3)固体化合物表面分析
钯催化剂在含氮有机化 合物体系中失活前后谱图变 化对比。 取样深度 d = 3 ； 金属0.5~2nm； 氧化物1.5~4nm；
有机和高分子4~10nm；
表面无损分析技术。
第六章 表面分析方法
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化学位移示例
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化学位移
图所示为带有氧化 物钝化层的Al的2p 光电子能谱图
由图可知，原子价 态的变化导致A1的 2p峰位移。
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俄歇电子谱峰
入射电子束和物质作用，可以激发出原子的
内层电子
外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量，
可能以X光的形式放出，即产生特征X射线， 也可能又使核外另一电子激发成为自由电子， 这种自由电子就是俄歇电子。
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样品制备
粉末样品
——直接粘在双面胶带上，注意样品与基片间 不发生化学反应，注意平整和完全覆盖
溶液成膜
——对于能完全溶解的样品，采用浸渍法、涂 层法或浇铸法在金片上成膜
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样品制备
加压或挤出成膜
——避免了溶液浇注成膜的污染问题。采用熔 融铺展成膜或热压成膜。
原位聚合
——用于动态研究，例如用光子或电子辐射聚 合的研究
大多数元素在50~1000eV能量范围内都有产额较高 的俄歇电子 能够保持特征能量(没有能量损失)而逸出表面的俄 歇电子，发射深度仅限于表面以下大约2nm以内， 约相当于表面几个原子层 在这样浅的表层内逸出俄歇电子时，入射电子束的 侧向扩展几乎尚未开始，故其空间分辨率直接由入 射电子束的直径决定
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主要俄歇峰 的能量用空 心圆圈表示 实心圆圈代 表每个元素 的强峰
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电子能谱仪
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电子能谱仪
X射线管 X光电子能谱仪(XPS)的激发源 靶极材料为镁和铝 电子枪
由阴极产生的电子束经聚焦后打在样品上，激发产生俄歇电子
灯丝阴极材料一般用六氟化镧(LaF6) 电子枪又分为固定式和扫描式两种，有扫描式电子枪的电子能谱 仪又叫俄歇探针，可以进行固体表面元素分析
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注意
定性分析时，必须注意识别伴峰和杂质、污染峰(如 样品被CO2、水分和尘埃等沾污，谱图中出现C、O、 Si等的特征峰)。 定性分析时一般利用元素的主峰(该元素最强最尖锐 的特征峰)。
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XPS在高分子研究中的应用
高分子材料表面元素组成的分析
——由强信号谱峰位置及元素特征结合能定性 分析表面元素组成 ——通过改变光电子逸出表面的发射角，可进 行样品表面下深度层次的分析
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电子能量分析器
电子能量分析器的作用是把 不同能量的电子分开，使其按 能量顺序排列成能谱。 常用的球形分析器是由两个 同心半球组成，内外球之间加 电压，在两球面之间形成径向 电场 对于一定的电压，只有一定 能量的电子可以通过分析器进 入检测器，改变电压，可以使 另外能量的电子被接收。 19
由费米能级进入真空成为自由电子所需的能
量功函数Φ 自由电子的动能Ek hv=Ek+Eb+Ф
6
固体样品X射线的能量
仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为4eV，入 射X光子能量已知，测出电子的动能Ek，便可得到 固体样品电子的结合能
各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的，通 过对样品产生的光子能量的测定，可以了解样品中 元素的组成
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真空系统
如果真空度没有足够高，清洁的样品表面会很快被 残余气体分子所覆盖 光电子信号一般很弱，光电子能量也很低，过多的 残余气体分子与光电子碰撞,可能使得光电子得不到 检测
电子能谱仪要求10-7-10-8Pa的真空度
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俄歇电子能谱仪发展
初期的俄歇谱仪只能做定点的成分分析
70年代中，把细聚焦扫描入射电子束与俄歇能谱仪 结合构成扫描俄歇微探针(SAM)，可实现样品成分 的点、线、面分析和深度剖面分析 由于配备有二次电子和吸收电子检测器及能谱探头， 使这种仪器兼有扫描电镜和电子探针的功能
第六章 表面能谱分析法
1
为什么要研究表面？
物体无论是受到外界影响还是对外界发生作
用，都是通过表面来进行的 物体的表面和它的本体，在结构及化学组成 上都有显著差别
2
表面分析
是对物体几十纳米以内的表面层结构及组成
的检测与分析 高分表面分析能谱是采用 光束、电子束、离子束
等对固体表面进行激发，使之相应地释放出 光、电子、中子等 光、电子、中子等带有原物质所赋予的特征， 呈现出与原物质相对应的能量分布 对其能量进行检测与分析，及可以确定原物 质的结构、组成
4
X射线能谱分析(XPS)仪
5
固体样品X射线的能量
内层电子跃迁到费米能级消耗的能量Eb
X射线光电子能谱分析表明，该涂层是碳氟材料
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XPS在高分子研究中的应用
高分子粘结界面的研究
——测定表面原子组成及基团，判定粘结破坏 的区域 ——检查表面处理效果、界面间的相互作用、 粘结机理的探讨
28
X射线光电子能谱法的特点
是一种无损分析方法 ——样品不被X射线分解 是一种超微量分析技术 ——分析时所需样品量少 是一种痕量分析方法 ——绝对灵敏度高 但X射线光电子能谱分析相对灵敏度不高，只能检 测出样品中含量在0.1%以上的组分。X射线光电子 谱仪价格昂贵，不便于普及
8
光电子谱峰
由于各元素光电子激发效率差别很大，定量结 果会有很大误差。XPS提供的是表面3-5nm的成 份
依靠化学位移可以确定元素所处的状态，但需 要用标准样品对比
9
化学位移
原子“化学环境”指原子的价态或在形成化合物时， 与该(元素)原子相结合的其它(元素)原子的电负性等 情况 原子“化学环境”变化，可能引起光电子峰的位移 (称化学位移) 如：原子发生电荷转移(如价态变化)引起内层能级 变化，从而改变跃迁能量，导致峰位移 又如：不仅引起价电子的变化(导致峰位移)，还造 成新的化学键(或带结构)形成以致电子重新排布的 化学环境改变，将导致谱图形状的改变(称为价电子 谱)等。 10
元素所处的化学环境不同，引起的结合能的微小 差别叫化学位移，由化学位移的大小可以可以分析 元素的化合价和存在形式。
7
光电子谱峰
每个峰表示被 X射线激发出来的光电子，根据光电子能 量可以标识出是从哪个元素的哪个轨道激发出来的电子
XPS谱图中峰的高低表示这种能量的电子数目的多少， 可以进行元素的半定量分析。
13
俄歇电子能谱基本原理
测定出俄歇电子的能量，对照现有的俄歇电
子能量图表，即可确定样品表面的成份
利用俄歇电子的强度和样品中原子浓度的线
性关系,进行元素的半定量分析
俄歇电子能谱法是一种灵敏度很高的表面分
析方法。其信息深度为1.0-3.0nm,绝对灵敏 可达到10-3单原子层
14
为什么说俄歇电子能谱分析是一种表面分析方 法且空间分辨率高？
e′
90°
hv hv d d=L
e′
d=LSinθ
25
XPS在高分子研究中的应用
高分子材料的定量分析
——基本依据是谱峰的强度(峰面积或峰高)大 小主要取决于样品所测元素的含量(或相对浓 度)
——影响光电子峰强度的因素相当复杂，XPS 定量分析所能达到的准确度还属于半定量水 平
26
表面涂层分析示例