AFM:聚合物表面改性

应用笔记

背景

聚合物 正在越来越广泛的应用中使用,尤其是在应用中 医疗器械行业。 了解聚合物至关重要 表面特征 因为聚合物与其环境之间的许多关键相互作用发生在表面。 例如,医疗装置中使用的聚合物的表面通常是主体和装置之间的界面。 通过控制聚合物的表面性质,医疗设备设计者可以增强或抑制身体对设备的各种反应。 聚合物与其环境之间的相互作用在很大程度上取决于表面组成和结构。 已经开发了诸如喷涂,真空沉积和化学或等离子体蚀刻的处理以产生其他所需的表面特征和形貌。

由于表面组成和形貌在聚合物的性能中起着如此重要的作用,因此精确的表面表征可以是快速部署新材料或理解现有材料中的问题和行为的重要部分。 原子力显微镜(AFM)凭借其高分辨率表面映射功能,可以成为该表征的关键组成部分。

应变和等离子体蚀刻的表面效应

这里给出的图像展示了应变和氧等离子体蚀刻对医疗器械包装中使用的乙烯 - 乙酸乙烯酯膜的影响。 第一幅图(图1)显示了原始曲面的4μm相位图像。 为了产生相位图像,悬臂在其共振频率附近振荡,并且悬臂和其驱动力之间的相位滞后被绘制为样品上的横向悬臂位置的函数。 相位滞后可能对样品表面的物理性质差异以及形貌敏感。 AFM相图提供聚合物表面的详细视图。 相图中明确定义的特征可能是聚合物薄片的结果,其在表面上以略微不同的取向出现。

原子力显微镜(AFM),聚合物表面数据,原样

图1收到的表面

第二幅图像,图2,是样品经过应变到断裂点后,同一样品的不同区域的5μm相位图像,然后释放出应力。

原子力显微镜(AFM),聚合物表面,应变

图2紧张

应变方向在图像中从上到下延伸。 显然,表面已被施加的应力修改。 将这些形态学信息与详细的化学分析结合起来,例如 XPS or TOF-SIMS 提供有关此示例行为的有价值信息。 由于这些图像都不需要任何类型的样品制备,因此结果不会受到在制备过程中可能产生的伪影的影响。

样本历史

聚合物表面样品的历史可以对其行为和性能产生重要影响。 在获得图1和2中所示的图像之后,将样品在氧等离子体中蚀刻三个不同的时间间隔:15秒,1分钟和3分钟。 图3和4显示了3分钟等离子体蚀刻的效果。 很明显,应变表面结构比未应变表面受到更大程度的影响。

原子力显微镜(AFM)的聚合物表面改性不紧张,蚀刻3分钟

图3未拉紧,蚀刻3分钟

表面聚合物的原子力显微镜(AFM),过滤然后蚀刻3分钟。

图4拉紧,然后蚀刻3分钟

定量分析: 表面粗糙度和PSD图

虽然能够使聚合物表面可视化本身是有用的,但在某些情况下,实际量化物理特性的能力可能是重要的。 聚合物表面粗糙度是AFM数据测量的一个明显参数。 然而,虽然样品表面的粗糙度值可能是有用的,但它也可能具有误导性。 两个表面可以具有相同的均方根(RMS)粗糙度,但是具有非常不同的形貌。 表面的功率谱密度(PSD)图可以是理解和表征表面纹理的更有效工具。 PSD基本上是表面轮廓的傅里叶变换,并显示表面上特征尺寸的分布。 表面的功率谱密度(PSD)图可以清楚地揭示该表面中的任何周期性结构。 通过在一些感兴趣的频率间隔上取PSD的积分的平方根来计算RMS粗糙度值。 图5是PSD图,清楚地显示了如何通过增加蚀刻时间来影响应变和蚀刻表面。 仅在y方向上计算PSD以突出表面结构的方向性。 正如图像所预期的那样,随着蚀刻时间的增加,峰值向更长的波长移动,表明表面特征的尺寸正在增加。 表面粗糙度随蚀刻时间的增加通过曲线随蚀刻时间的增加垂直位置来证明。

PSD图的原子力显微镜(AFM)数据

图5未拉紧,蚀刻1分钟

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