Formation of nanoscale protrusions on polymer films after atomic oxygen exposure; Observations with positron annihilation lifetime spectroscopy

原子状酸素照射によって高分子膜上に形成されるナノスケールの突起の陽電子消滅寿命測定法による解析

後藤 亜紀*; 満汐 孝治*; 岡 壽崇   ; 田川 雅人*; 山下 真一*

Goto, Aki*; Michishio, Koji*; Oka, Toshitaka; Tagawa, Masahito*; Yamashita, Shinichi*

原子状酸素(AO)は地球低軌道における残留大気の主要成分の1つであり、5eVのエネルギーで宇宙船に衝突し、高分子材料表面にナノスケールの突起を形成する。本研究では、高分子の化学構造がAOによる微細構造形成に与える影響を明らかにするため、陽電子消滅寿命測定法を用いて高分子材料の自由体積空孔サイズおよび化学変化を調べた。AO照射によって高分子両面に形成される酸化層の表面からの深さは、ポリエチレンとポリプロピレンの方がポリスチレンよりも深いことがわかった。自由体積空孔サイズはポリスチレンが最も小さく、ポリピロピレン,ポリエチレンの順に大きかったことから、高分子の自由体積空孔の大きさの違いがAOの注入深さに影響を与え、結果として酸化層の厚さや表面形状が変化したと考えられる。

Atomic oxygen (AO) is one of the dominant components of the residual atmosphere in low Earth orbit. AO collides with spacecraft with translational energy of 5 eV, forming nanoscale protrusions on polymeric materials. This study investigated the size of free-volume holes and the layer thickness that interacted with AO for polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polystyrene (PS) by positron annihilation lifetime spectroscopy. By the AO irradiation, oxidized layer formed in the surface, and the maximum depth of the oxidized layer for PE and PP were deeper than for PS. The different sizes of free-volume holes would affect the injection depths of AO, resulting in the oxidized layers' thicknesses and surface morphologies.