表面改性聚合物的XPS分析

应用笔记

莫妮卡·诺伊伯格(Monica Neuburger)博士,珍妮弗·霍夫曼(Jennifer Hoffman)博士和丹尼尔·杰德·沙利文(Daniel JD Sullivan)博士

聚合物材料在医疗设备,汽车,电子,食品包装以及广泛的工业和消费产品中无处不在。 1,2  可以出于多种原因对这些材料的表面进行修改:硬化表面,降低或增加表面反应性,改变表面粗糙度等。3,4  常用方法之一涉及使用等离子体蚀刻表面或将自定义功能引入表面。5,6  修改必须是特别希望的修改,并且没有污染。 检查治疗结果的能力是成功开发方法的关键。

表面的等离子体改变是众所周知的过程。 等离子体中的高能量会产生高能物质,这些高能物质可与聚合物表面反应,并形成可挥发的化合物离开表面,从而蚀刻表面,或制成不挥发的化合物,后者会形成薄的阻挡层,从而阻止进一步的反应或减少进一步渗透到聚合物中。材料。

X射线光电子能谱(XPS)是一种完善的表面分析工具。7,8  XPS用于检查表面元素和化学成分,从而提供检测限在0.1%至1%范围内的原子成分(H和He除外)。 用X射线探测表面,X射线迫使样品中的电子射出。 来自顶部50-100Å的电子可以逸出表面,并且可以测量其动能。 光谱通常以“结合能”标​​度显示,基本上是发射电子的动能减去撞击X射线的能量。 碳键合状态通过高分辨率扫描确定。

样品制备: 

在暴露于O之前和之后研究聚丙烯(PP)和聚碳酸酯(PC)的挤出片材2 和含氟血浆(总共六个样品)。 在收到样品后(经IPA擦拭清洁)分析样品的表面2 或F等离子处理(在20W下100分钟,分压为45 mTorr)。 在每次等离子体暴露之间清洁腔室,并且在每个等离子体处理过程中一起运行样品。

日期:

XPS数据是使用Al K Alpha单色源收集的。 所有六个样品的光谱图如图1所示。

勘测光谱的相对较低的能量分辨率完全可以确定表面的原子组成,但是需要高能量分辨率扫描才能识别官能团和/或氧化态。9,10

图1 –所有六个样本的调查光谱。 注意改变O和F峰。

C(1s)峰的高分辨率光谱如图2所示。所有峰均包含284.8 eV的CC烃键。 可以在286-289 eV之间的肩部看到聚碳酸酯中的碳氧官能团,并且在291 eV处观察到指示芳香性的p→p *跃迁。 O2 血浆样品相对于接收的样品显示出碳氧官能度的增加。 这可以从较高结合能下峰强度的增加中看出。 暴露于含F等离子体的样品的CC峰显着降低,表明大量的表面反应。 291 eV以上的峰可归因于多种形式的CFx 粘接。 由于它们最接近F原子,一些碳-氧官能团也已转移到更高的结合能上。

图2 –两种聚合物在接收后和在O之后的高分辨率C(1s)光谱2 和F等离子处理。

讨论:

表面成分的变化:由于O而使an2增加2 清楚地显示了由于F等离子处理而产生的血浆和F。 高分辨率扫描的添加使得可以获得有关表面化学键的更多信息。 收到的C(1s)光谱包含碳氢化合物和多种碳氧键形式。 后O2 在等离子体处理中,CO和C = O的相对含量增加。 F等离子暴露后,CF,CF2和CF3 从两个样品中都观察到物种。

等离子体处理对两种聚合物材料的影响不同,但是引入了相似的表面功能。

概要:

在这项研究中,证明了XPS是评估等离子处理前后两种聚合物类型(聚碳酸酯和聚丙烯)的表面组成(元素和化学状态信息)的有用工具。 通过等离子体处理可以清楚地看到表面的变化,并且在测量和高分辨率光谱中可以看到化学键的详细变化。 通过一些工作,如果C / O或C / F峰的相对强度小于或等于100,则可以用来确定表面化学变化的深度。

其他互补技术可用于研究表面改性对拓扑(AFM),表面张力(接触角)和分子化学(FTIR和TOF-SIMS)的影响。

参考文献:

  1. https://www.mddionline.com/surface-modification-using-low-pressure-plasma-technology
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  6. Lavanya Jothi和Gomathi Nageswaran,用于生物传感器/生物设备应用的等离子体改性聚合物材料,用于聚合物材料的非热等离子体技术,1016 / B978-0-12-813152-7.00015-9,(409-437),(2019年)。
  7. John C. Vickerman,Ian S. Gilmore(编辑),《表面分析:主要技术》,第二版,John Wiley and Sons,英国奇切斯特,2年,第2009–47页
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  10. Vandencasteele,F。Reniers,等离子改性聚合物表面:使用XPS表征,电子光谱学和相关现象杂志,178-179(2010),394-408

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