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1、,原子力显微镜技术在纺织化学与染整中的应用,0720302008 王晓芳,原子力显微镜技术原理,原子力显微镜技术在染整中的应用,展望及参考文献,一,二,三,Contents,一、原子力显微镜技术原理,工作原理,系统构造,工作模式,1、AFM的系统构造图示,力检测,位置检测,反馈系统,2、AFM的工作原理,原子力显微镜是以针尖与样品之间的原子之间的范德华力作用来呈现样品表面特性的。1、当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力、吸引力会使微悬臂轻微变形；2、一束激光照射在微悬臂的末端，经微悬臂的背面反射到光电检测器，激光的反射光的位置会因悬臂摆动改变，造成偏移量；,2、AFM的工作原理
2、,3、激光光斑位置探测器（PSPD）对落在四个象限的光强进行计算，将偏移量记录下，并转换成电信号；4、反馈回路根据检测器的信号与预置值的差值，不断调整针尖与样品之间的距离，并且保持针尖与样品之间的作用力不变，就可以得到表面形貌像。这种测量模式称为恒力模式。当已知样品表面非常平滑时，可以采用恒高模式进行扫描，即针尖与样品之间距离保持恒定，这时针尖与样品之间的作用力大小直接反映了表面的形貌图像。,3、AFM的工作模式,工作模式是按照针尖与样品之间的作用力形式来分类的，针尖与样品之间的各种相互作用力可以概括为短程排斥力和长程吸引力。作用力与针尖与样品间距的关系如图：,3、AFM的工作模式,针尖始终与
3、样品保持接触，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，不易对柔嫩物体表面扫描。,悬臂在距离试样表面上方振荡，样品不会被破坏，针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。,悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅是周期性短暂地接触/敲击样品表面，适合于分析研究柔软、粘性和脆性的样品,非接触模式,敲击模式,接触模式,a-b段,c-d段,二、AFM在纺织化学与染整中的应用,AFM在纺织化学与染整中的应用,AFM在染整加工对象中的应用,AFM在染整加工工艺中的应用,（一）AFM在染整加工对象中的应用,着色剂,助剂,纤维材料,1、AFM在纤维材料方面的应用,纤维表面微摩擦性能的研究,纤维复合
4、材料界面特性的研究,纤维微结构的表征,纤维薄膜的表征,（1）纤维微观结构的表征,1、王禄山，高培基3等利用原子力显微镜对棉纤维表面立体结构进行直接观察分析，确证了微纤丝聚集排列方式的多样性。2、余雁，江泽慧4等利用原子力显微镜对毛竹纤维的微纤丝取向进行了高分辨观察。3、华坚，范仲勇6等利用AFM对一种天然纳米纤维捕鸟蛛丝的物理化学结构进行了表征，所得图像显示，蜘蛛丝表面在纵向和横向上波动，并可见到表面横向沟槽在一定长度内的周期性分布。4、吉晓江，田云飞8等用原子力显微镜在纤维水平上对皮革胶原纤维的精细结构进行了研究，并进行了系统描述和量化表征。,（2）纤维表面微摩擦性能的研究,利用AFM针尖对
5、样品表面进行扫描,来模拟在微摩擦中存在的点面接触的情况。1、李学峰，李伟敏10等运用原子力显微镜对材料表面微摩擦性能研究进展进行了探讨，发现摩擦力与表面形貌呈现相同的周期性，随表面湿度增加先增大后减小，并与表面分子基团类型、相对滑动速度、表面势的改变有很大关系。2、为了更好的了解悬浮纸浆纤维之间的相互作用力，Zauscher11利用AFM测得了在聚电解质溶液中纤维间的摩擦作用力。,（3）纤维薄膜的表征,郑桂芬，陈建勇12等采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2复合丝素膜，并用AFM对其进行表征，发现纳米TiO2均匀地分散在丝素膜中；纳米粒子与丝素形成了分子间氢键，导致丝素分子的重排。徐文正，魏取福1
6、4等对丙纶表面沉积的纳米薄膜进行原子力显微镜分析，观察纤维基材及三种纳米薄膜沉积在纤维表面的微观结构。,（4）纤维复合材料界面特性的研究,傅宏俊，黄玉东，刘丽15采用原子力显微镜以力调制模式研究了单向碳纤维/聚芳基乙炔(CF/PAA)复合材料横截面的表面形貌和硬度，得到了材料中各相的形态、分布和相对硬度等信息。通过对硬度图像进行统计学分析，得到材料表面硬度分布直方图。,2、AFM在着色剂方面的应用,印染用着色剂有染料和颜料，利用AFM可以对其聚集体进行观察研究。田宝柱，李刚16等采用原子力显微镜观察了两个感绿增感染料在卤化银晶体表面形成的聚集体，聚集体均成条纹状的结构。Kodak公司的Hans
7、en17专门合成了2个具有特殊结构的菁染料。它们均易于在卤化银晶体表面形成聚集体。但其中一个分子的结构是非刚性的，不易得到清晰的图像，这是由于原子力显微镜的针尖在晶体表面扫描时，染料分子被“拨动”而造成移位，故所得信息不准确；另一个染料分子具有刚性的结构，即可得到聚集体的清晰图像,3、AFM在助剂方面的应用,表面活性剂能减小液体的表面张力，提高润湿性，在工业中有着重要的应用。陆晓华，陈颖20等研究表面活性剂的加入对溶液在粗糙PTFE涂层表面润湿性的影响，利用原子力显微镜(AFM)对表面活性剂分子在涂层表面的形貌进行表征。结果表明，在低表面张力范围内表面活性剂溶液不能润湿粗糙的超疏水PTFE涂层
8、，而具有相似表面张力的有机溶剂可以润湿涂层表面。冀俊杰，陈蕴智21用原子力显微镜观测涂布纸涂层结构中胶粘剂Z向分布情况，实现了涂层结构的优化与控制。,（二）AFM在染整加工工艺中的应用,后整理,废水处理,前处理,1、AFM在染整前处理中的应用,AFM在织物前处理中的应用主要体现在对纤维的表面改性特征的表征，对酶的活性研究等方面。虞学锋，王鸿博25为了改善羊毛织物的毡缩、润湿等性能，采用低温氧等离子体对羊毛织物进行改性处理。利用原子力显微镜表征了处理前后羊毛纤维鳞片结构的变化情况。在退浆方面，李强，王洪博26用氧等离子体处理PVA浆膜，研究等离子体处理后PVA浆膜的失重率、水溶速率等性能的变化，
9、并用原子力显微镜(AFM)分析了等离子体处理前后PVA浆膜表面形态和化学结构的变化。,酶在印染行业的应用日益广泛，酶的活性是一个重要的指标。廖问陶，刘源岗27用AFM观察到了不同浓度的溶菌酶与溶壁微球菌相反应的作用过程，AFM是观测酶活生理过程的有力工具，同时还为酶活测定开辟了新思路，是传统酶活测定方法的有力补充。,2、AFM在染整后处理中的应用,AFM在织物后整理中的应用主要体现在抗菌、拒水拒油、抗紫外整理中对功能层的表征。徐阳，魏取福28等在纯棉机织物表面沉积TiO2功能纳米结构层，利用原子力显微镜分析其表面形貌和晶态结构，同时对负载纳米TiO2的织物的抗菌性和耐洗性进行了初步研究。曲爱兰
10、，文秀芳30等利用氟硅氧烷的表面自组装功能制备了具有仿生类“荷叶效应”的超疏水涂膜。通过原子力显微镜和水接触角的测试对膜结构及性能进行表征，探讨了粒子的粒径和形状对材料微观结构、表面粗糙度和疏水性能的关系。安秋风，高胜利33等用AFM对具有抗紫外功能的聚醚-紫外侧基聚硅氧烷的结构与膜的形态进行了表征。,3、AFM在印染废水处理中的应用,蔡冬鸣，任南琪34等用硫酸对层状-MnO2进行改性，以亚甲基蓝和刚果红为目标分子，考察了改性对去除染料的影响。利用AFM对二氧化锰改性前后的表面性质进行了考察。沈敬一，何其庄36等以高能球磨法制备了纳米尺度的单质铁粒子，并用原子力显微镜对其进行了表征；以所制备的
11、纳米铁为处理剂，对多数水样的COD均有较好的降低效果。,展望,原子力显微镜技术作为一种表面分析先进的手段，其对样品的表征能力达到了纳米级，甚至埃米级，样品制备技术简单，扫描过程中对样品无损伤。这一优势使之在纺织印染行业的应用前景很是乐观。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，诸如退浆效果、丝光效果、酶的活性、抗菌抗紫外及拒水拒油整理的功能涂层效果表征，乃至废水处理材料和处理效果的观察等方面，均有很广阔的应用前景。观察被研究的物体，测量和理解它的各种性质，操纵和修饰该物体，根本上评价和控制它可能的性能和过程，将成为AFM技术的发展趋势。,Thank You!,
