分析事例

高分子材料の表面官能基の分析3（化学修飾-XPS）

高分子材料表面の官能基の中でもC=Cは反応性が高く、表面改質や接着、重合に関わる反応点として機能します。そのため、C=C量の評価は材料の性能を理解する上で重要です。高分子材料表面の元素の化学結合状態の把握にはX線光電子分光（XPS）が用いられますが、C=C、C-C、C-Hの化学結合を区別することは困難です。そこで、四酸化オスミウム（OsO4）でC=Cを化学修飾し、導入したマーカー元素（Os）からC=Cの有無や量比を評価した事例を紹介します。

分析試料

  • （1）ポリブタジエン薄膜
  • （2）モノマー配合比が異なる2種類のスチレン－ブタジエンゴム
    • SBRⅠ：C=C量が少ない
    • SBRⅡ：C=C量が多い

    分析方法

    各試料の表面に、OsO4を用いた化学修飾処理を施してからXPS測定しました。
    XPS；：単色化AlKα線（アルバック・ファイ製　PHI5000 VersaProbe II）

    分析結果

    （1）ポリブタジエン薄膜の分析

    C=Cの化学修飾反応スキームを図1に、化学修飾前後のC1s、Os4dスペクトルを図2に示します。図1に示すように、OsO4はポリブタジエン中のC=Cに付加反応します。化学修飾後のスペクトルには、化学修飾前には無かったOs4dピークおよびC-Oに由来するピークが出現しました。このように、Osのピークの有無から、C=Cの有無を判断することが可能です。

    図1　C=Cの化学修飾反応スキーム
    図2　化学修飾前後のC1s、Os4dスペクトル
    （2）モノマー配合比が異なる2種類のスチレン－ブタジエンゴムの分析

    化学修飾処理後のOs4fスペクトルを図3、Os濃度を図4に示します。C=Cの存在量が多いSBRⅡでは、SBRⅠよりもOs4fスペクトルのピーク強度が高く、Os濃度も高いことが確認されました。Os濃度の違いはC=C量の違いを反映しており、Os濃度を測定することで、C=C量を試料間で相対比較できることが確認されました。Os濃度からC=Cの存在割合を算出したところ、SBRⅡのC=C量は、SBRⅠの1.3倍程度であることが分かりました。


    • 図3　化学修飾後のOs4fスペクトル

    • 図4　化学修飾後のOs濃度

    まとめ

    OsO4を用いた化学修飾処理とXPS分析を組み合わせることで、上記のように樹脂表面のC=Cの有無、量比の評価ができました。OsO4を用いた化学修飾処理とXPS分析を組み合わせることで、樹脂表面だけでなく、表面改質層、コーティング層、接着層などに含まれるC=Cの有無や量比を評価することができ、材料の性能評価に有効です。また、樹脂の劣化度合いの指標としても、C=C量の評価は有効であり、新品の材料とC=C量比較することで材料の劣化度合いを評価することが可能です。

    用いる分析装置
    この分析事例の市場分野