汽车保险杆中基体材料检测方案(X光电子能谱)

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ThermoFisherS CIENTIFIC服务科学领先世界 XPS 助您玩转汽车行业一汽车保险杠基体材料的 XPS 测定与分析 葛青亲，范燕，孙文武 赛默飞世尔科技(中国)有限公司，上海浦东201808 摘 要：本文通过 ESCALAB Xi 对火焰处理前后的保险杠基体料料进行检测分析，探索此项改性工艺获得的基体材料表面的结构与组成信息，为进一步探索改性机理和提升保险杠基体材料的亲水性能提供依据和指导方向。 关键词： ESCALABXi汽车保险杠改性化学态组成 1前言 火焰法是处理汽车保险杠应用中较为普遍的一种方法，它用火焰的氧化焰部分(即蓝色部分)接触 PP 保险杠材料表面，由于喷在材料表面上的热氧火焰温度高达1100~2800℃，故通过对 PP 表面的脱氢和氧化反应而在表面生成氨基、羟基、羰基等含氧极性基团和不饱和双键，增加表面极性，从而提高表面能(即增强喷漆在其表面的附着力)和保险杠的耐用性。在保险杠基材表面改性的过程中比较关注样品表面的元素及价态变化信息，这就使得一些常规分析方法无法满足这种分析需求； 而 XPS作为一种全新的表面分析技术，由于其表面敏感性，可以为我们提供样品表面10nm 左右的元素及价态信息，可以很好的完成对 PP保险杠材料的表面分析，从而为PP保险杠材料表面改性研究提供正确的指引方向。 2样品测试要求及制备 本文通过 XPS 对火焰处理前后的保险杠基体材料进行检测分析，，了解此次改性工艺前后获得的基体材料表面的结构与组成变化信息。 3测试仪器和测试方法 选择 ESCALAB Xi 光电子能谱仪进行测试，仪器外观见图1。为消除样品荷电效应开启标准模式的中和枪。测试时使用单色化X射线源，500微米束斑。 图1ESCALAB Xi射X射线光电子能谱仪 4测试结果分析 4.1火焰处理前样品表面元素含量及价态信息分析 对样品代表性点进行数据采集，样品表面各元素相对原子百分含量如表1所示(只将C、O、N、Si元素参与定量)： 表1火焰处理前样品表面各元素相对原子百分含量/Atm.% 元素 C O Si N 含量 91.3 7.18 1.76 由表格数据可看出，样品表面含有约91%的C元素及约7%的O元素，基本不含N元素。 对火焰处理前样品表面各元素化学态的相对原子百分含量及碳、氧图谱也进行了分析，如表2、图2所示(只将C、O、N、Si 元素参与定量)： 表2火焰处理前样品表面各元素化学态相对原子百分含量/Atm.% 元素化学态 CC-C O Si-O Si2p Silicate Si2p SiO2 N1s 图2火焰处理前样品表面元素高分辨窄扫谱图 由上述表格和图谱可以看出，未火焰处理前 PP 样品中的C 元素主要是以 C-C 的化学态形式存在，而O元素主要来源于样品中的硅酸盐和二氧化硅。。由于样品表面极性官能团 含量较小，所以此时样品表面能极小，为 0.5dyn。 4.2火焰处理后样品表面元素含量及价态信息分析 对样品代表性点进行数据采集，样品表面各元素相对原子百分含量如表3所示(只将C、O、N、Si元素参与定量)： 表3火焰处理后样品表面各元素相对原子百分含量/Atm.% 元素 C O Si N 含量 86.34 11.38 1.38 0.9 由表格可以看出，样品表面除了C、O、Si元素以外还出现了N元素。 采用 Avantage 软件对 C 元素进行谱峰进行分峰拟合处理，获得C元素分峰结果如图3所示。 C1s Scan 图3火焰处理后样品 C1s 高分辨窄扫拟合谱图 由图可以看出火焰处理后样品表面增加了 O-C=O、C=O、C-O等新的亲水基团；由于亲水基团的加入，增加了样品表面极性，提升了样品的表面能，而此时样品表面能为 3dyn，XPS 得到结果与真实样品性能提升事实完全一致。 火焰处理后样品表面各元素化学态的相对原子百分含量如表4所示(只将C、O、N、Si 元素参与定量)： 表4火焰处理后样品表面各元素化学态相对原子百分含量/Atm.% 化学态 CC-C CC-O CC=O C O Si2pSilicate Si2pSiO2 N1sC-N O-C=O Si-O/C-O/C=0 含量 76.91 5.58 2.51 1.34 11.38 0.61 0.77 0.90 由上表格可以看出，火焰处理后 PP样品中的C元素主要是以C-C、C-O、C=O、0-C=O的化学态形式存在，而O元素主要是以 Si-O/C-O/C=O 的形式存在，新出现的N元素以C-N形式存在。 4.3火焰处理前后两样品表面元素含量及价态的比较 对两样品表面各元素相对原子百分含量进行比较，如表5所示(只将C、O、N、Si元素参与定量对比)： 表5火焰处理前样品表面各元素相对原子百分含量/Atm.% 元素 C Si N 火焰处理前样品 91.3 7.18 1.76 0 火焰处理后样品 86.34 11.38 1.38 0.9 由表格，可看到火焰处理前后两样品中各元素含量有较大差异，经火焰处理后的样品中C、Si元素含量减少，而相应的O、N元素含量升高，这说明改性后样品表面发生了变化。 为了对火焰处理前后样品表面元素及其化学态进行更准确的表征，将两样品C元素(谱峰进行了强度归一化)、O元素进行对比(谱峰强度均为原始信号)，如图4所示： 图4 C1s、01s 高分辨窄扫谱图对比 由上对比图可看出： 由 C1s 谱图对比可以看出改性后 C-C 化学态的谱峰发生展宽，此外在约285.5-288.5eV区域有谱峰信号增强，说明此区域出现了新的化学态。 由O1s 谱峰强度对比可以看出，含氧元素的化学态含量有明显增加趋势。 对火焰处理前后两样品表面各元素化学态相对原子百分含量进行比较，如表6所示(只将C、O、N、Si元素参与定量对比)。 表6火焰处理前后样品表面各元素化学态相对原子百分含量对比/Atm.% 化学态 CC-C CC-O CC=O C Si-O/C-O/C=O Si2pSilicate Si2pSiO2 N1sC-N O-C=O 火焰处理前 91.3 0 0 7.18 0.42 1.34 0 火焰处理后 76.91 5.58 2.51 1.34 11.38 0.61 0.77 0.90 由表格中火焰处理前后样品各元素化学态相对含量对比，可以看出火焰处理后样品中C-O、C=0、0-C=O及 C-N 等亲水基团的含量明显升高，说明经火焰处理后的样品表面成功 接上亲水基团，使其亲水性能提高，从而使样品表面能提高。 5结论 本文通过 XPS对火焰处理前后的保险杠基体材料进行测试分析，获得了火焰处理前后(即改性前后)样品的表面元素组成及化学态变化行为信息，为提升保险杠基体材料表面与油漆附着力以及保险杠的耐用性能研究提供有力的分析手段。 汽车行业中经常需要对一些新鲜制备的洁净材料和改性处理后材料表面的组成进行表征分析，这对材料性能提升研究具有重要意义。本文通过对汽车保险杠材料的表征分析，可看到XPS能很好的完成这类型样品的表征测试，助力汽车材料性能提升的研究发展。