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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。