Ca/PMMA界面化学反应生成羧酸盐的原位研究

器件或材料内部存在的金属/聚合物界面是影响其性能和稳定性的重要因素之一，因此对金属与聚合物之间界面结构形成过程中的界面相互作用进行原位研究具有非常重要的意义，这可以帮助我们认识界面处发生的物理化学过程、帮助理解性能与界面结构之间的内在联系，从而为研发高效、稳定的器件（或材料）提供理论依据和技术指导。中国科学技术大学国家同步辐射实验室表面物理化学课题组对在室温条件下金属Ca与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）界面处的化学反应进行了深入细致的研究，相关的研究成果发表在2012年9月4日的《The Journal of Physical Chemistry C》上。

该课题组利用X射线光电子能谱（XPS）、X射线近边吸收精细结构谱（NEXAFS）并结合微吸附量热技术所测量的吸附热数据，对在室温条件下Ca在PMMA表面沉积过程中所发生的界面相互作用进行了详细研究。XPS谱图清晰地显示了随着金属Ca原子在PMMA表面沉积量增加，O 1s, C 1s 和Ca 2p 的XPS芯能级谱的强度和峰位的变化情况。通过对相应芯能级谱图进行解谱分析，发现PMMA分子中的酯基优先与Ca原子发生化学反应并形成羧酸钙。在北京同步辐射装置（BSRF）4B9B-光电子能谱实验线站开展的O K边X射线吸收精细结构谱明确地显示了PMMA分子中C=O双键强度随Ca沉积发生明显的衰减，并伴随有羧酸盐的特征吸收峰出现，这表明C=O双键作为活性位与Ca原子反应。此结果进一步证实了基于吸附热数据的Ca/PMMA界面反应模型。

左图Ca在PMMA表面沉积后的O1s谱随Ca的沉积量增加而发生的变化；右图Ca在PMMA表面沉积后的C 1s谱随Ca的沉积量增加而发生的变化。

 

左图Ca在PMMA表面沉积后的Ca 2p谱随Ca的沉积量增加而发生的变化；右图O-K边吸收精细结构谱图谱随Ca的沉积量增加而发生的变化。

这一研究成果加深了对金属与聚合物界面相互作用的理解。在这项研究工作中，基于同步辐射光的近边X射线吸收精细结构谱（NEXAFS）可以很好地区分C的不饱和π键和饱和δ键，对研究Ca/PMMA界面形成过程中PMMA分子中C=O双键结构的变化以及对界面形成过程中活性位的确定有着非常重要的意义。

发表文章：

HuanxinJu,XuefeiFeng, Yifan Ye, Liang Zhang, Haibin Pan, Charles T. Campbell, and Junfa Zhu*,Ca Carboxylate Formation at the Calcium/Poly(methyl methacrylate) Interface.J. Phys. Chem. C, 116, 20465−20471, 2012.