高分子表面的分析与表征不仅使我们能够了解其结构与性能的关系,以及表、界面行为的机理,而且为高分子界面材料的设计提供了依据。通常的表面分析技术都可以用于高分子表面分析表征,它们包括电子能谱、电子衍射、离子质谱、离子和原子散射、电子显微镜、顺磁共振、表面红外光谱、拉曼光谱、穆斯堡尔谱学等。这些技术利用电子、光子、原子、离子,或电场、光、热等与固体表面的相互作用,通过测量其在表面的发射或散射能谱、光谱、质谱、衍射图像,从而得到表面成分、结构,以及物理化学过程等方面的信息。另外,材料表面与本体分析技术没有严格的界限,很多分析表征技术既可用于前者也可用于后者。
高分子与小分子的最大区别在于高分子因其分子量大而具有丰富的链构象,这对高分子的行为和性质有深刻影响。因此,与小分子表面相比,除了表面成分、结构、物理化学过程等,高分子表面分析往往要考虑链构象这一因素。除了上述表面分析技术外,高分子表面分析使用较多的技术包括表面等离子体共振、朗缪尔天平、石英晶微天平、椭圆偏振、和频振动光谱等。这些技术主要用于高分子的表界面的构象变化、相互作用、吸附、降解等行为的表征分析。其中表面等离子体共振、石英晶微天平和椭圆偏振主要应用于表征固-液界面上高分子的行为,朗缪尔天平主要应用于气-液界面,而和频振动光谱既可应用于固-液界面也可应用于气-液界面。
表面等离子体共振主要基于光学技术实现对固体表面上的高分子行为进行表征,因而具有较高的灵敏度。它需要在光密介质上镀上一层金属薄膜(如金或银薄膜),制备相关芯片,以实现表面等离子体共振。这样,其表征的应用范围有一定局限,且运行成本较高。椭圆偏振技术主要基于对固体表面反射光的振幅和相位进行分析,从而对固体表面上高分子的行为进行表征。它无须制备特殊芯片,因此具有较广的应用范围和较低的使用成本。石英晶体微天平主要基于对石英振子产生的剪切波进行分析,对固体表面上的高分子行为进行表征。它能够给出表面高分子的质量变化和黏弹性变化的信息,从而了解表面高分子构象变化、相互作用等情况。朗缪尔天平主要基于对威廉密板(Wilhelmy plate)的受力情况进行分析实现对高分子在气-液界面上的行为进行表征,是对界面高分子表征方法的有力补充。此外,利用朗缪尔-布洛杰特(Langmuir-Blodgett)方法可以将气-液界面上的高分子膜转移至固体表面,并进一步基于固体表面高分子表征手段实施分析,从而实现朗缪尔天平技术与固体表面高分子表征技术相结合。和频振动光谱主要基于非线性光学原理实现对气-液和固-液界面上高分子行为进行表征。相比于上述界面高分子表征手段,和频振动光谱技术的表征尺度更趋于微观,即可实现在分子尺度上对界面高分子的性质进行精确表征。可见,将以上高分子表征技术相结合,可以实现从微观到准微观尺度上对界面高分子行为进行表征。