描述使用NanoIR光谱学和映射聚合物薄膜

PS / PMMA混合化学对比图像使用攻AFM-IR™

红外光谱法是一种最流行的分析测量方法用于聚合物材料表征。然而,这主要是您宏观分析阿贝衍射法律限制传统散装红外光谱的空间分辨率3至10µm,基于使用的类型的方法。

原子力显微镜(AFM)是一种广泛使用的纳米成像方法,它提供了一个地形图表面样品的高空间分辨率。直到最近,无法化学特征提示下的材料已经使用AFM的主要缺点。然而,这种障碍是可以克服使用AFM悬臂作为入射红外辐射的探测点。

结果是一个AFM-IR技术,克服了传统红外光谱衍射极限的数量级,同时还拥有AFM的高分辨率成像功能。¹

本文讨论了应用AFM-IR执行一系列聚合物纳米化学特性方面的样本。

多层电影的特征²

多层电影扮演重要的角色在许多产品,尤其是在包装材料。亚博网站下载因为减少多层层厚度的增加个别层的数量,描述是必要的。

傅立叶变换红外光谱是一种广泛使用的表征技术硅/氧化硅多层膜的横截面,提供个人的化学性质数据只要他们的聚合物层厚度至少几微米。早些时候,需要分层个别层更薄的电影进行分析比传统的傅立叶变换红外光谱的衍射极限。这些限制可以克服使用AFM-IR,能够提供真正的纳米化学表征。

逆向工程多层电影,切片机用于横截面样本交叉分组样本然后放在红外透明衬底(锌矿为后续分析(图1)。结果AFM-IR光谱分别代表的彩色标记。在这里,电影内容成功确认为聚乙烯和聚酰胺(图1 b和c)。

图1所示。(一个)。AFM图像显示高度交叉切割多层膜。AFM-IR光谱在2800 - 3600厘米¹(b)和1200 - 1800厘米¹(c);光谱收集层C, E, G与聚酰胺是一致的。从记录的红外光谱层D,它可以被认为是阻挡层在影片中,符合polyethylene-co -(乙烯醇)(EVOH)。

每一层在多层电影执行特定功能,如水分、氧气阻隔层。不相容是普遍的在这些层材料,因此,有必要使用“领带”层绑定这些层材料在膜的形成。亚博网站下载直到现在,描述这些领带层使用傅立叶变换红外光谱已经不因其厚度小于500纳米。

一个例子是聚乙烯(PE)之间的关系和聚酰胺(PA)。由于他们在电影不相容,他们需要一个领带层隔。

一个AFM图像和高度AFM-IR光谱之间的边界地区的PE、PA层保鲜膜截面如图2所示。九个彩色标记位置的AFM图像与AFM-IR光谱相同的颜色(100 nm间距)。

图2。AFM图像和高度AFM-IR光谱在PE / PA层界面。

获得的光谱在200 nm的边界由明显CH₂PE的拉伸乐队比区域远离边界。此外,质量重心的峰值CH的波数₂反对称伸缩带也转移到低波数(2916厘米¹)的边界,表明多下令烃和少支链的存在。因此,准确的化学表征聚合物之间的领带层现在是可能的。

测量膜³

自组装单层膜(SAMs) 4-nitrothiophenol (NTP)和单层岛的样本聚(乙二醇)甲基醚硫醇(挂钩)沉积在基质template-stripped黄金。利用AFM地形测量,证实了国家结核控制规划单层薄膜的厚度小于1纳米(图3)。

黄金AFM-IR光谱和分子结构的国家结核控制规划地对空导弹(蓝色)如图3所示。每个AFM-IR光谱源于一个近似的样品表面面积25×25 nm,有限的AFM探针与样品的接触面积。

图3 c显示相应的红外反射吸收光谱获得的大大大区域在红色的国家结核控制规划地对空导弹。

一个强大的国家结核控制规划吸收峰约1339厘米¹与对称的没有₂拉伸模式,而实力较弱的吸收带大约1175厘米¹关联到一个芳香CH-bending模式。图3 c数组AFM-IR光谱记录在一个单层的差距。对于这些测试,空间分辨率达到~ 20海里。

图3。(一)AFM偏转图像显示山姆金衬底上国家结核控制规划的。(b)的比较AFM-IR光谱(蓝色)和国家结核控制规划山姆的ATR光谱(红色)。(c)的数组AFM-IR光谱收集在红线所示(a)展示空间~ 20 nm的决议。

AFM地形图像的左上角所示图4和一个红外吸收图像与红外激光调谐的固定波数1340厘米¹单层岛电影挂钩黄金的右上角的图4所示。

从AFM图像,盯住群岛发现的厚度是4海里。红外吸收带的1340厘米¹关联到一个CH₂摇模式和挂钩的位置岛地区证实了图像。盯住单层岛地区的25×25 nm红外吸收的形象很容易解决。

广泛的红外波段集中在1102厘米¹被分配到C-O-C反对称拉伸模式。

图4。AFM地形图像(左上)和红外吸收图像1340厘米¹(右上角)单层岛电影的黄金挂钩。盯住群岛之一的AFM-IR光谱如下所示。

定量化学在纳米级聚合物领域的内容⁴

可取的属性如加工性能、耐热性和抗拉强度使聚丙烯(PP)的一个最重要的和广泛使用的聚合物。然而,这种聚合物的抗冲击性差尤其是在低温限制了其广泛应用。

为解决这一问题,一种新的共聚方法已经被开发出来,这提高了PP的耐冲击和总体性能的混合其他聚合物。

图5显示了这些结构的高抗冲聚丙烯(HIPP)材料。亚博网站下载在这些材料存在三个不同的区域:矩阵,中间层和核心。亚博网站下载有必要有能力调查每个区域的化学成分提炼HIPP的性能。

图5。原理图和AFM阶段图像显示不同地区在高抗冲聚丙烯样本。

一般而言,红外光谱是一种功能强大的技术来评估化学成分,但在HIPP域并不足以被传统的红外光谱分析。基于传统的红外光谱和AFM-IR之间牢固的关系,红外光谱是用来执行的校准标准与已知的材料组成,为了与共聚物中的乙烯含量与峰面积比值的CH₂和CH₃弯曲的乐队在~ 1456厘米¹和~ 1378厘米¹,分别。

放大AFM图像的纳米尺度域内HIPP如图6所示,与标记图像对应位置AFM-IR光谱记录从每个区域内的材料,核心(红色),中间层(蓝色)和矩阵(黑)。

图6。(一)AFM纳米核心领域和(b)的高度形象AFM-IR域在1378厘米的形象¹。

归一化的光谱如图7到1378厘米¹允许AFM-IR峰值比率的比较数据的红外光谱校准曲线(在应用程序报告中见表1)。

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校准曲线的峰值比率的比较所产生的红外光谱允许确定每个区域的化学成分(在应用程序报告中见表2)。

图7。在HIPP AFM-IR从每个地区获得的光谱。数据归一化到1378厘米¹。

结论

AFM-IR是一个功能强大的各种高分子材料的表征技术。亚博网站下载

AFM的能力和红外光谱的结合使nanoIR2-FS系统收集地形样本表面的图像和描述这些材料的化学成分的空间分辨率< 20海里。亚博网站下载

本文讨论了聚合物多层薄膜的表征或逆向工程使用AFM-IR技术。这一突破性的技术也让领带的表征材料膜层之间第一次。此外,聚合物结晶度和化学内容也被量化在高空间分辨率。

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引用

1。Dazzi, a;Prazeres r;Glotin f;奥尔特加,J.M.;选择列托人。2005年,2388 - 2390。

2。Kelchtermans, M;瞧,M;狄龙,E;Kjoller K;Marcott C;振动器Spec.2016、82、10 - 15。

3所示。锣,L;追逐,B;野田佳彦,我;刘,J;马丁,D;倪,C;Rabolt J;Marcomolecules。48岁,6197 - 6205。

4所示。唐,f;包,p;苏,Z。2016年分析化学,88 (9),4926 - 4930。

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