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原子力显微镜分析技术在纺织化学与染整工程中的应用


原子力显微镜分析技术在纺织化学与染整工程中的应用
2010 级纺织化学与染整工程专业 摘要 二十世纪八十年代, Binning 和 Rohrer 发明了扫描隧道显微镜 (STM) ,随后,在扫描隧道显微镜的基础上又发展起来了其他各种新型 扫描探针型表面分析仪器( SPM) ,原子力显微镜就是其中的一种。原 子力显微镜(AFM)是在STM的基础上发展起来的扫描探针显微镜,它 利用原子之间的范德华力来呈现样品的表面特性,可获取纳米级分辨 率的物体等表面结构信息。 关键词:原子力显微镜;纤维;表面结构 AFM基本 基本原理 一 AFM基本原理 1.1 原子力显微镜工作原理 AFM有一个对力非常敏感的微悬臂,其尖端有一个微小的探针, 当针尖与样品表面接触的时候,针尖与样品表面上的原子之间存在一 个非常微弱的相互作用力使微悬臂弯曲,该形变信号转变为光电信号 并进行放大,就可以得到原子之间相互作用力的信号。AFM通过测量 探针针尖与样品表面原子间力的大小来描绘样品的表面形貌,它不受 样品是否具有导电性的限制,可以对导体、半导体和绝缘体进行测量, 因此AFM的出现补偿了STM不能观测绝缘体的缺陷,为科学领域的发 展做出了很大贡献[1]。 图 1 为 AFM 工作原理及仪器结构示意图。

1.2 原子力显微镜工作模式 原子力显微镜工作模式 根据原子间作用力(引力或斥力)的不同,AFM成像分为接触模式 (Contact mode AFM, C - AFM) 、 非接触模式(Non - Contact mode AFM, NC - AFM)和轻敲模式( Intermittent - contact ( tapping mode) AFM, TM - AFM)三种工作模式,如图2。

图3为原子间力——距离曲线,在图中可以看出有三个区域: (l)接 触区域,代表的是C-AFM模式; (2)非接触区域,代表NC-AFM模式; (3) 在接触区和非接触区两者之间区域,代表TM - AFM模式。

图3

A.接触模式中,针尖和样品表面之间的距离仅有几个埃,针尖与样 品之间的作用力在范德华力的排斥区域。 该模式一般不适合扫描软样 品,例如:生物大分子、低弹性模量以及容易移动和变形的样品。 B.非接触模式中,针尖与样品表面之间的距离是50 - 100埃,针尖 与样品之间的作用力在范德华力的吸引区域,此模式有利于研究软生 物样品。 C.当针尖与样品之间的作用力在范德华力的吸引和排斥区域之 间的时候,此工作模式被称为轻敲模式,针尖与样品表面之间的距离大 约是10 - 50埃。轻敲模式可以研究柔软、粘性和脆性的样品,也可对 液体中活性生物样品进行现场检测、对溶液反应进行现场跟踪等。 二 AFM 在纺织化学与染整中的应用 2.1 AFM 在染整加工纤维材料中的应用 在染整加工纤维材料 纤维材料中 原子力显微镜不仅可以实现纳米级尺寸微力的测量, 而且可以得 到三维形貌、分形结构,横向力和相界等信息.尤其是还可以实现过 程的测量,达到实验与测量的统一.是进行纤维材料学研究的一种有

力手段。例如,采用AFM与其他仪器对新型纤维材料三聚氰胺纤维 的表面进行观察和表征,已得到其表面是丘陵状形态[2]。因此,AFM 对纤维材料制备、纤维结构、纤维微摩擦、纤维成膜以及微凝胶的研 究等方面具有重要作用。 a. AFM在纤维材料制备中的应用。 古宏晨、袁绍彦[3]在研究制备纳米复合材料中,采用AFM和显微 镜对纳米碳酸钙填充体系的冲击断面进行观测,并进行分形分析。 AFM结果表明表面分形特征不明显,而且分形维数与纳米碳酸钙的 含量没有明显的关联性。 魏取福、于良燕[4]等人在制备铜纳米复合材料时,通过原子力显 微镜对纺织品不同厚度的纳米复合材料涂层进行了表征, 从而制得具 有导电、抗紫外效果的铜纳米复合材料。 b.AFM在研究纤维材料结构中的应用 阎立峰、陈娟[5]研究了微晶纤维素在NaOH/硫脲水溶液中的溶 解机理,采用AFM对溶解过程进行取样分析。同时还研究了纤维素 膜以及纳米纤维素等功能材料的制备。在微晶纤维制备过程中,通过 AFM测试,表明所得纳米微晶纤维素纯净且为稳定晶型,产物分布 均匀。 此外,由于AFM对纤维结构的表征作用要明显优于TEM和SEM, 所以在造纸制浆研究上,AFM的应用也是相当广泛[6]。 c. AFM在研究纤维材料微摩擦中的应用 魏取福、徐文正[7]采用AFM对功能化纳米纤维材料进行表征,分

析了带状结构和圆形结构的纳米纤维,测量出纳米纤维的直径,并对 纳米纤维表面的微摩擦力进行分析。 对制备的纳米纤维功能化膜的微 观结构也采用了AFM进行了分析。探索了氧化锌膜的微观结构与工 艺参数的关系。 Landman[8]在进行纤维微摩擦和粘着力的测定的实验时, 也采用 AFM进行测量,AFM不仅能提供三维的实验图像,还可以测量表面 纳米尺度范围内的力学性质,例如磨损量,纳米润滑层的厚度,摩擦力 和摩擦系数等。 这些都将成为AFM 应用的一种扩展,极大地推动纳米 摩擦学的研究。 d. AFM在研究纤维材料成膜中的应用 李晓兰、周晓文[9]用AFM表征了尼龙6和PTEF形成的介电材料薄 膜,对薄膜表面的粗糙度进行了结构分析,并用AFM观察了不同位 置不同厚度的导电层氧化膜。 e.AFM在研究微凝胶中的应用 李亚娜、 霍东霞[10]等人采用AFM对N2异丙基丙烯酰胺2丙烯酸 共聚物微凝胶在V PT T 附近弹性模量的变化进行观察,表征了其在 水中的溶胀行为,并利用AFM 数据分析系统对AFM 图像进行计算分 析,从量上直观地表征了其温敏性。 2.2 AFM 在染整加工后整理中的应用 AFM 技术在织物染整加工后整理中的应用主要体现在抗菌、拒 水拒油、抗紫外、柔软整理中对功能层的表征。 a. AFM 对织物拒水拒油整理中功能层的表征

付永山、 安秋凤[11]在氟代聚丙烯酸酯拒水、 拒油整理剂的研究中 采用 AFM 对经过拒水拒油整理织物的纤维表面进行观察,得到了拒 水拒油膜的形貌。 张瑞、 叶仲斌、 罗平亚[12]在研究驱油用水溶性聚合物溶液的应用 性能时,用AFM观察了驱油聚合物在水溶液的微观结构,看到疏水 缔合聚合物内部是由无数个六边形的“网眼”和连接这些网眼的“节 点”构成。 b. AFM 对织物抗紫外线整理中功能层的表征 王前进[13]在功能性聚硅氧烷整理剂膜组装、形貌及性能的研究 中,用AFM对其具有抗紫外功能的组装膜形貌进行了表征。 c. AFM 对织物柔软整理中功能层的表征 安秋凤、李明涛[14]采用AFM对含环烃基的氨基硅柔软剂整理后 的织物棉纤维进行观察,发现未整理空白棉纤维表面粗糙不平,而经 柔软整理的棉纤维表面则平整、光滑,明显有一层树脂膜存在。 程广文[15]在研究两种十二烷基聚硅氧烷DDPS对织物的柔软整理 中,采用AFM对整理后的织物纤维表面进行观察,发现DDPS定向排 列形成微观形态学非均一结构的硅膜, 该膜表面比较粗糙且具有一定 的疏水性, 并显著降低纤维基质的表面粗糙度, 增强织物的柔软效果。 AFM技术 技术发展前景 三 AFM技术发展前景 AFM在不同的工作模式,不同的环境下可以得到不同的表面形貌, 表面特性程等信息, 它已被广泛应用于医学、材料学、生物学、细胞 学等领域。例如,原子力显微镜分析技术允许生物样品在空气或液体

中保持原样, 它的三维成像技术可以提供样品纳米尺度的观察和检测
[16]

。现如今AFM已经成为纺织化学科学领域中不可缺少的有力工具。

它可以用来对纤维微观结构、 表面刻蚀、 染料或颜料颗粒聚集体形态、 助剂对纤维和染料的结合情况等进行最真实直接的观察表征; 它更可 以用在染整加工各工序加工效果的表征上, 诸如抗菌抗紫外及拒水拒 油整理的功能涂层效果表征,均有很广阔的应用前景。 近年来,随着科学技术的不断改进和发展,许多新的AFM 工作模 式(如磁场操作模式MAC -AFM)不断涌现,使得AFM所得图像更接近 于真实图像,而且,对样品破坏程度大大降低。 另一方面,AFM与其他技 术联用(如电子显微镜) ,将会进一步提高纺织化学的研究能力,AFM的 功能以及应用范围也将不断的扩大和深入,必将推动科学的巨大进 步。 四 参考文献 [1] 杨小乐,张英堂,孙润广,王秋萍,马保科,伍刚,原子力显微镜在现代 教学中的应用[J],应用光学, 2008, 29卷:11—20 [2] R.S.RAJEEV, S.K.DE, ANIL K.BHOWMICK, BILL GONG and S.BANDYOPADHYAY, Atomic force microscopy, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy and thermal studies of the new melamine fiber[J], J. Adhesion Sci. Technol., 2002,16(14): 1957–1978 [3] 古宏晨,袁绍彦,纳米复合材料的性能、分散与分形,博士后论文,上 海交通大学,2006 [4] QUFU WEI, LIANGYAN YU, NING WU AND SHANHU HONG,

Preparation and Characterization of Copper Nanocomposite Textiles[J], Industrial Textiles, 2008,37(3):257–282 [5] 陈娟,阎立峰,纤维素水溶液溶解机理探索与功能材料制备,硕士论 文,中国科技大学,2007 [6] 王宝玉,何北海,李军荣,原子力显微镜在制浆造纸研究中的应用[J], 造纸科学与技术,2010,29(4):58-64 [7] 徐文正,魏取福,功能化纳米纤维原子力显微镜(AFM)表征研究, 江南大学,硕士论文,2007 [8] Landman U , Luedtke W D. Interfacial J unctions and Cavitation[J]. MRS Bulletin ,1993 :18 (5) :36 – 44 [9] G. Padeletti, S. Pergolini, G. Montesperelli, A. D’Alessandro, F. Campoli, P. Maltese, Evaluation of structural and adhesive properties of nylon 6 and PTFE alignment films by means of atomic force microscopy[J], Appl. Phys,2000,(71): 571–576 [10] 李亚娜,霍东霞,王红英,李树材, AFM在N2异丙基丙烯酰胺2丙烯 酸共聚物微凝胶粒子性能研究中的应用[J],高分子材料,2008,(24):9 [11] 付永山,安秋凤,氟代聚丙烯酸酯拒水、 拒油整理剂研究,硕士论文, 陕西科技大学,2008 [12] 张瑞,叶仲斌,罗平亚,原子力显微镜在聚合物溶液结构研究中的 应用[J],电子显微学报,2010,29(5):475-481 [13] 王前进,功能性聚硅氧烷整理剂膜组装、形貌及性能研究,硕士论 文,陕西科技大学,2007

[14] 李明涛,安秋凤, 分子中含环烃基的氨基硅柔软剂及其与纤维织 物的作用机理,硕士学位论文,陕西科技大学,2006 [15] 程广文,安秋凤, 十二烷基聚硅氧烷的合成\应用及成膜形态,硕士 学位论文,陕西科技大学,2006 [16] Jose Luis Alonso,Wolfgang H. Goldmann, Feeling the forces: atomic force microscopy in cell biology[J],Life Sciences, 2003,72:2553-2560


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