前言

火焰法是處理汽車保險(xiǎn)杠應(yīng)用中較為普遍的一種方法，它用火焰的氧化焰部分(即藍(lán)色部分)接觸PP保險(xiǎn)杠材料表面，由于噴在材料表面上的熱氧火焰溫度高達(dá)1100~2800℃，故通過對(duì)PP表面的脫氫和氧化反應(yīng)而在表面生成氨基、羥基、羰基等含氧極性基團(tuán)和不飽和雙鍵，增加表面極性，從而提高表面能（即增強(qiáng)噴漆在其表面的附著力）和保險(xiǎn)杠的耐用性。在保險(xiǎn)杠基材表面改性的過程中比較關(guān)注樣品表面的元素及價(jià)態(tài)變化信息，這就使得一些常規(guī)分析方法無法滿足這種分析需求；而XPS作為一種全新的表面分析技術(shù)，由于其表面敏感性，可以為我們提供樣品表面10nm左右的元素及價(jià)態(tài)信息，可以很好的完成對(duì)PP保險(xiǎn)杠材料的表面分析，從而為PP保險(xiǎn)杠材料表面改性研究提供正確的指引方向。

樣品測(cè)試要求及制備

本文通過XPS對(duì)火焰處理前后的保險(xiǎn)杠基體材料進(jìn)行檢測(cè)分析，了解此次改性工藝前后獲得的基體材料表面的結(jié)構(gòu)與組成變化信息。

測(cè)試儀器和測(cè)試方法

選擇ESCALAB Xi+光電子能譜儀進(jìn)行測(cè)試，儀器外觀見圖1。為消除樣品荷電效應(yīng)開啟標(biāo)準(zhǔn)模式的中和槍。測(cè)試時(shí)使用單色化X射線源，500微米束斑。

測(cè)試結(jié)果分析

1.火焰處理前樣品表面元素含量及價(jià)態(tài)信息分析

對(duì)樣品代表性點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，樣品表面各元素相對(duì)原子百分含量如表1所示（只將C、O、N、Si元素參與定量）：

（點(diǎn)擊查看大圖）

由表格數(shù)據(jù)可看出，樣品表面含有約91%的C元素及約7%的O元素，基本不含N元素。

對(duì)火焰處理前樣品表面各元素化學(xué)態(tài)的相對(duì)原子百分含量及碳、氧圖譜也進(jìn)行了分析，如表2、圖2所示（只將C、O、N、Si元素參與定量）：

（點(diǎn)擊查看大圖）

（點(diǎn)擊查看大圖）

由上述表格和圖譜可以看出，未火焰處理前PP樣品中的C元素主要是以C-C的化學(xué)態(tài)形式存在，而O元素主要來源于樣品中的硅酸鹽和二氧化硅。由于樣品表面極性官能團(tuán)含量較小，所以此時(shí)樣品表面能極小，為0.5dyn。

2.火焰處理后樣品表面元素含量及價(jià)態(tài)信息分析

對(duì)樣品代表性點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，樣品表面各元素相對(duì)原子百分含量如表3所示（只將C、O、N、Si元素參與定量）：

（點(diǎn)擊查看大圖）

由表格可以看出，樣品表面除了C、O、Si元素以外還出現(xiàn)了N元素。

采用Avantage軟件對(duì)C元素進(jìn)行譜峰進(jìn)行分峰擬合處理，獲得C元素分峰結(jié)果如圖3所示。

（點(diǎn)擊查看大圖）

由圖可以看出火焰處理后樣品表面增加了O-C=O、C=O、C-O等新的親水基團(tuán)；由于親水基團(tuán)的加入，增加了樣品表面極性，提升了樣品的表面能，而此時(shí)樣品表面能為3dyn，XPS得到結(jié)果與真實(shí)樣品性能提升事實(shí)完全一致。

火焰處理后樣品表面各元素化學(xué)態(tài)的相對(duì)原子百分含量如表4所示（只將C、O、N、Si元素參與定量）：

（點(diǎn)擊查看大圖）

由上表格可以看出，火焰處理后PP樣品中的C元素主要是以C-C、C-O、C=O、O-C=O的化學(xué)態(tài)形式存在，而O元素主要是以Si-O/C-O/C=O的形式存在，新出現(xiàn)的N元素以C-N形式存在。

3.火焰處理前后兩樣品表面元素含量及價(jià)態(tài)的比較

對(duì)兩樣品表面各元素相對(duì)原子百分含量進(jìn)行比較，如表5所示（只將C、O、N、Si元素參與定量對(duì)比）：

（點(diǎn)擊查看大圖）

由表格，可看到火焰處理前后兩樣品中各元素含量有較大差異，經(jīng)火焰處理后的樣品中C、Si元素含量減少，而相應(yīng)的O、N元素含量升高，這說明改性后樣品表面發(fā)生了變化。

為了對(duì)火焰處理前后樣品表面元素及其化學(xué)態(tài)進(jìn)行更準(zhǔn)確的表征，將兩樣品C元素（譜峰進(jìn)行了強(qiáng)度歸一化）、O元素進(jìn)行對(duì)比（譜峰強(qiáng)度均為原始信號(hào)），如圖4所示：

（點(diǎn)擊查看大圖）

由上對(duì)比圖可看出：

• 由C1s譜圖對(duì)比可以看出改性后C-C化學(xué)態(tài)的譜峰發(fā)生展寬，此外在約285.5-288.5eV區(qū)域有譜峰信號(hào)增強(qiáng)，說明此區(qū)域出現(xiàn)了新的化學(xué)態(tài)。

• 由O1s譜峰強(qiáng)度對(duì)比可以看出，含氧元素的化學(xué)態(tài)含量有明顯增加趨勢(shì)。

對(duì)火焰處理前后兩樣品表面各元素化學(xué)態(tài)相對(duì)原子百分含量進(jìn)行比較，如表6所示（只將C、O、N、Si元素參與定量對(duì)比）。

（點(diǎn)擊查看大圖）

由表格中火焰處理前后樣品各元素化學(xué)態(tài)相對(duì)含量對(duì)比，可以看出火焰處理后樣品中C-O、C=O、O-C=O及C-N等親水基團(tuán)的含量明顯升高，說明經(jīng)火焰處理后的樣品表面成功接上親水基團(tuán)，使其親水性能提高，從而使樣品表面能提高。

結(jié)論

本文通過XPS對(duì)火焰處理前后的保險(xiǎn)杠基體材料進(jìn)行測(cè)試分析，獲得了火焰處理前后（即改性前后）樣品的表面元素組成及化學(xué)態(tài)變化行為信息，為提升保險(xiǎn)杠基體材料表面與油漆附著力以及保險(xiǎn)杠的耐用性能研究提供有力的分析手段。

汽車行業(yè)中經(jīng)常需要對(duì)一些新鮮制備的潔凈材料和改性處理后材料表面的組成進(jìn)行表征分析，這對(duì)材料性能提升研究具有重要意義。本文通過對(duì)汽車保險(xiǎn)杠材料的表征分析，可看到XPS能很好的完成這類型樣品的表征測(cè)試，助力汽車材料性能提升的研究發(fā)展。