反射吸收红外光谱法研究铝表面硅烷试剂膜的结构与性能

    徐 溢3

    唐守渊 陈立军 (重庆大学化学化工学院 ,重庆 400044)

    摘 要 采用反射吸收红外光谱法(RA2IR)研究了铝金属表面涂覆乙烯基三乙氧基硅烷(VS) 、环氧基三乙氧

    基硅烷(GS)和γ 2氨丙基三乙氧基硅烷(γ 2APS)溶液成膜后结构及膜与金属表面之间结合状态 ,比较并探讨了

    不同处理工艺条件下硅烷溶液在金属铝材上成膜后膜的特性 ,以指导硅烷用作金属表面处理新技术的优化

    和实用化处理过程。

    关键词 反射吸收红外光谱 ,硅烷膜 ,铝

    2001205205收稿;2001212210接受

    本文系重庆市科委应用基础研究基金(No. 200026041)资助项目

    1 引 言

    有机官能团硅烷目前正成为金属表面防蚀和提高与外涂层附着效果处理领域的新兴技术1。硅烷

    分子在水溶液中以水解硅醇吸附到金属表面 ,通过老化 ,硅醇基团和金属表面的羟基缩合反应形成化学

    键 ,而硅醇之间也会缩合形成聚合硅烷 ,从而在金属表面形成易与外涂层相容的有效防护膜1 ,2。目前

    有许多方法可以论证金属表面硅烷试剂膜的组成、结构和特性 ,如次级离子质谱(SIMS)

    3

    、 RA2IR4

    、 X

    射线光电子能谱(XPS)

    5

    等表面分析技术。红外光谱以其能提供官能团及其环境的信息且不损表面成

    为表面分析的优秀工具 ,用红外光谱测定金属表面膜时一般使用反射技术;理论分析表明6

    ,以大角度

    入射时红外光谱在金属表面产生叠加现象 ,能收集到增强的光谱信号。本文以大角度反射吸收红外光

    谱(RA2IR)探讨了铝金属表面硅烷试剂膜的结构和特性 ,由此来探明硅烷试剂用作金属表面处理新技术

    的表面化学键合过程和防蚀机理 ,对该新技术实用化有着重要的意义。

    2 实验部分

    2. 1 试剂与仪器

    乙烯基三乙氧基硅烷(VS ,化学纯) ;环氧基三乙氧基硅烷(GS ,化学纯) ;γ 2氨丙基三乙氧基硅烷(γ 2

    APS ,化学纯) ;乙醇(分析纯) ;2 mm厚铝片。

    Magna2IR550Ⅱ红外光谱仪(美国 Nicolet 公司) ,扫描次数 32 ,Harrick 型镜反射附件 ,入射角 80° ;

    WG2003台式干燥箱(中国重庆设备实验一厂) ;PHS 225酸度计(上海雷磁仪器厂) 。

    2. 2 实验方法

    样品制备过程:铝基材2机械抛光2细砂打磨2金相砂(粒径 0. 02 mm)2碱洗2水洗2蒸馏水洗2涂覆硅烷

    溶液2老化。硅烷试剂溶液的浓度根据已有的研究1 ,2

    和本实验的需要 ,硅烷试剂溶液浓度选定为 5 % ,按硅烷试剂∶乙醇∶水 = 1∶ 1∶ 18比例配制;VS、 GS溶液的pH为4. 1 , γ 2APS溶液pH为10. 4。

    3 结果与讨论

    3. 1 硅烷分子在金属表面的键合状态

    图12a 为5 %的(VS)溶液的透射光谱图。3300 cm- 1

    处为缔合羟基峰 ,1602 cm- 1

    处为乙烯基的 C = C

    伸缩振动峰 ,1410 cm- 1

    为乙烯基的 CH2 剪式振动。1011 cm- 1

    为乙烯基的反式 C - H非平面摇摆振动 ,968 cm- 1

    为乙烯基的 CH2 非平面摇摆振动。1121 和 1051 cm- 1

    是线性聚硅氧烷的 Si - O - Si 键的吸收

    峰 ,这说明在溶液中硅烷水解后形成了线性低聚物 ,2982 和 2959 cm- 1

    峰的存在说明水解并不完全2。

    图12b为铝浸入5 %的VS溶液中10 s后 ,自然干24 h的膜的 RA2IR图。3300 cm- 1

    的缔合羟基峰的消失

    第30卷

    2002年4月 分析化学 (FENXI HUAXUE) 研究简报

    Chinese Journal of Analytical Chemistry

    第4期

    464～466表明硅烷的羟基在金属表面发生了缩合反应 ,而1121和1051 cm- 1

    双峰位移到 1160 cm- 1

    的单峰表明线

    性低聚硅烷之间通过羟基的缩合发生了聚合交联反应 ,1410 cm- 1

    和微弱的 1601 cm- 1

    的乙烯基峰存在

    表明硅烷确实从溶液中转移到了铝表面上;而在834 cm- 1

    和861 cm- 1

    处新出现的峰 ,可能是由于硅烷分

    子和铝基材表面的羟基发生键合作用形成Al - O - Si 键而产生的 ......