氢与有机涂层的化学定量

附加的有机涂层通常应用于镀锌钢基体，以提供对钢表面的保护或为美学目的改变其外观。延长使用寿命，耐久性和良好的风化性能是这些有机涂料的期望品质，因为它们经常应用于室外。有机材料的元素和化学成分决定了特定有机涂层作为钢表面保护层所需的性能。

x射线光电子能谱(XPS)可以在表面最深处的几纳米到几微米处产生化学键数据。这种分析方法适用于有机涂层中碳官能团的测定。虽然XPS不能检测氢，但互补反射电子能量损失谱(REELS)技术具有检测和测量氢的能力。脂肪族和芳香族碳也可以用REELS识别。的Thermo Scientific™Nexsa™表面分析系统和Thermo Scientific™ESCALAB Xi+™XPS微探针是XPS和reel的组合。该多技术表面分析系统还以离子散射光谱(ISS)的附加方法为标准。

实验

在这个实验中，使用θ探针测定了涂在钢上的有机涂层的全部化学成分和元素组成。氢的浓度也是分析的一部分。本实验分析了由六甲基甲氧基三聚氰胺(HMMM)作为交联剂组成的25微米厚的聚酯涂层(图1)。使用超低角度显微切开术(ULAM)制备了涂层的浅角度截面，在XPS和REELS线扫描的帮助下，有助于对有机涂层进行深度扫描。

图1所示。结构聚酯多元醇(R1为烷基官能团，R2为芳香族或烷基基团)与HMMM交联。

XPS元素量化(不包括H)

宽扫描XPS测量数据收集在每一点上的线，可以确定存在的所有元素，从有机涂层表面，向下到25微米的厚度，最后在镀锌钢基体。XPS数据量化得到了样品的元素剖面(不包括氢)作为深度的函数(图2)。由于多元醇是一种无氮聚酯，HMMM交联剂是观察有机涂层中氮的唯一原因。

图2。元素剖面(不包括氢)。

从元素剖面上看，有机涂层表面~5 μ m区域的HMMM浓度显著减少。

涂层中氮的平均浓度为3.0 At%，与聚酯:HMMM Wt%的比例为6.4:1。

XPS碳键合分析

通过在线扫描的每一点上获取高能分辨碳谱，确定了碳键与深度的函数关系。在XPS元素分析中，有机涂层中确定了两个明显的区域:hmmm富区和hmmm贫区。图3显示了这两个区域的碳光谱。

图3。hmmm富区和hmmm贫区碳的C1s光谱。

用Thermo Scientific™avadvantage数据系统获得的C1s光谱的峰拟合显示存在C-C/C- h、C-O、N-C-O和C=O键。在hmmm富集区也观察到显著的芳香碳浓度。HMMM中芳香环的存在(预计在288 eV)是这个碳态具有非常低的结合能的原因。或者，结合能被分配到增加的芳香性在聚酯材料的hmmm富区域。

图4显示了作为深度函数测量的碳键态，允许以深度函数监测化学变化。高分辨率数据得到的N-C-O键态分布与氮元素分布很好地吻合，证实了HMMM交联剂浓度向金属基板的上升。

图4。碳键态作为深度函数的量化。

补充卷分析

XPS分析的补充数据是通过在有机层的横截面上进行REELS线性扫描获得的(图5)。通过直接分析REELS光谱，对氢气进行量化，并分析芳香度的变化作为深度的函数。

图5。来自REELS线形图的数据显示了氢和芳香族碳的特征。

XPS/REELS总元素定量

电子从样品的弹性散射导致在REELS光谱中观察到的最强峰值。有机层中电子与氢原子的相互作用是在弹性峰底部观察到小峰的原因。氢可以通过简单的肩峰与弹性峰的拟合来量化所有非氢峰。该数据与XPS量化相结合，提供了整个涂层的总元素量化(图6)。

图6。XPS/REELS总元素定量(包括氢)

随着HMMM交联剂浓度的增加，氢浓度向金属基体方向下降。一组已知的聚合物样品被用来确认氢的定量方法。

碳的芳香性分析

在x射线照射下，C1s能级的核心电子可以促进有机材料芳亚博网站下载香键体系的跃迁。由于XPS中的这些跃迁(从Π-HOMO能级到Π*-LUMO)，可以观察到较弱、较宽的卫星特征，这些跃迁出现在主C1s峰的较大结合能的几伏特处。虽然同样的跃迁可以在REELS光谱中观测到，但它们通常更清晰、更强，也更容易分析。

在REELS光谱中Π*-Π特征的强度与样品中的芳香族碳浓度有关。具有相同特征的能量是聚合物价电子结构的表征。从聚酯/HMMM交联剂样品中获得的reel数据显示，Π*-Π强度向金属基板方向下降(图7)。这表明芳香碳浓度随着深度的增加而增加。

图7。氢和芳香族碳浓度随深度变化的剖面

从碳化学的高能分辨率XPS分析可以看出，HMMM交联剂并不是hmm富区芳香性增加的全部原因。这可以从卷的结果证实了分析的有机层(图8)。Π*的能量——Π卷频谱峰值从HMMM-rich地区获得不同于纯嗯,事实上,与苯组出现在聚酯材料一致。

图8。钢表面有机涂层纯HMMM和富HMMM区域的光谱。

结论

采用XPS/REELS组合分析方法对钢表面有机涂层进行了综合分析Thermo Scientific™Nexsa™表面分析系统和Thermo Scientific™ESCALAB Xi+™XPS微探针．利用XPS数据对所有非氢元素进行量化，从而研究碳键态。补充的REELS数据量化了氢浓度。利用REELS研究了有机涂层中芳香族碳的浓度差异。

这些信息来源于赛默费雪科学公司提供的x射线光电子能谱(XPS)。亚博网站下载

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