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两亲性嵌段共聚物的溶液自组装行为及其薄膜的研究是近十年来高分子科学研究领域的一个热门方向。本论文工作以两亲性嵌段共聚物为研究对象,研究了溶剂性质、溶液浓度等因素对H-型嵌段共聚物溶液自组装行为的影响,同时研究了环境亲疏水性对二嵌段共聚物胶束薄膜形貌的影响,另外还研究了溶液浓度和溶剂处理对吸附在基底表面的共聚物刷的形貌的影响。本论文还借助二嵌段共聚物胶束纳米反应器成功地制备了无机纳米杂化材料。
首先,我们系统地研究了溶剂的性质和溶液浓度对不同分子量的H-型嵌段共聚物(PS)2PEG(PS)2在稀溶液中的自组装行为的影响。1.在中性溶剂中,溶剂对PS或者PEG链段亲和性的微小的差异对自组装行为有显著的影响。当溶剂由略亲PS链段变为略亲PEG链段时,较低分子量的共聚物1由无序结构转变为蠕虫状结构,而较高分子量的共聚物2则由蠕虫状结构转变为球状结构。此外,溶液的浓度对共聚物的自组装行为也有着显著的影响。在优先亲PEG的溶剂中,两个共聚物的相分离强度都随着溶液浓度的降低而减弱,由蠕虫状图案转变成了球和单聚体共存的结构。2.在PEG-选择性溶剂中,共聚物2形成了稳定的球形胶束结构,而共聚物1则通过高温溶解的方法形成了球形和柱状胶束的混合结构,当溶液被稀释时,共聚物1的胶束结构转变为不稳定的囊泡结构,并且最终转变成了稳定的片层结构。共聚物1在PEG-选择性溶剂中的胶束结构的形成及形貌的转变,除了受聚合物-溶剂之间的相互作用的影响,主要还是由于H-型共聚物特殊的分子结构及可溶的PEG嵌段占有较低的体积分数影响的,使得胶束核中拥挤的PS链之间存在高度的排斥作用。
其次,我们研究了环境的亲疏水性对PS-b-P4VP胶束薄膜形貌的影响。在甲苯溶液中,PS-b-P4VP形成以PS为壳、P4VP为核的球形胶束。胶束溶液在潮湿环境下成膜时,由于甲苯缓慢挥发,同时胶束核被水蒸气渗透、溶胀,在薄膜表面形成了具有六方堆积的纳米孔穴结构。在干燥环境中,随着孔穴结构中水的缓慢挥发,聚合物链渐渐塌陷,低表面能的PS链缓慢地向一起聚集并迁移到P4VP核的上方,这些孔穴结构转变成大约2纳米高的分散的球结构;在甲苯溶剂中处理,由于PS链段/甲苯与P4VP链段之间的不相容效应,PS链被诱导向表面迁移形成外壳,且由于甲苯溶剂选择性的增强,PS和P4VP嵌段之间的分离程度与在干燥环境中处理时相比要强的多,共聚物链呈现高度伸展的构象,则转变为大约30纳米高的紧密堆积的球结构。
将PS-b-P4VP胶束溶液采用浸渍提拉方法在云母表面成膜时,未参与胶束化的共聚物分子链首先被吸附在云母表面,形成聚合物刷层,其形貌依赖于溶液的浓度。根据原子力显微镜的测量数据并且采用标度理论分析,这些聚合物刷采取了塌陷的构象。我们用酸处理这样的聚合物刷时,由于4VP单元被质子化以及PS/P4VP链段之间的不相容作用,分子链采取了垂直拉伸的构象,从而使形貌发生了转变。
基于以上对嵌段共聚物胶束薄膜性质的研究以及PS-b-P4VP胶束的特殊功能性,我们利用嵌段共聚物PS-b-P4VP胶束纳米反应器,成功地制备了具有优异的荧光性质的Eu(Ⅲ)-(PS-b-P4VP)-Phen-5DMF络合物薄膜。另一方面,我们利用微接触印刷(μCP)技术图案化胶束纳米反应器,制备了有序的不同形貌的Ag纳米粒子聚集体阵列。