复杂聚合物薄膜体系的去润湿动力学研究

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聚合物薄膜在防护涂层、平板印刷、选择性渗透膜、光电器件、数据储存、微反应器等方面有着广泛的应用,而不稳定的去润湿行为往往影响其技术应用。深入探讨聚合物薄膜的去润湿动力学行为,将有助于人们对聚合物薄膜稳定性的控制和聚集态结构的调控,因此具有重要的科学意义和实际价值。目前人们对热诱导聚合物单层薄膜在光滑平整的固体基底上发生去润湿行为已经有深入理解,但对于更为复杂聚合物薄膜去润湿行为的研究还遗留诸多问题:比如溶剂蒸气诱导的复杂聚合物薄膜的去润湿动力学行为,溶剂诱导聚合物薄膜的去润湿动力学过程以及聚合物多层膜的去润湿动力学过程还依然不清楚。基于此,本论文主要通过光学显微镜和原子力等实验手段来探讨复杂聚合物薄膜体系的去润湿动力学行为,并揭示分子量及其分布、基底、膜厚以及溶剂等因素对去润湿动力学的影响规律。1.高分子量聚合物对溶剂诱导低分子量聚合物薄膜去润湿动力学的影响:比较了单分散低分子量聚苯乙烯(PS)、单分散高分子量PS以及二者混合的聚合物薄膜的去润湿动力学行为,发现其去润湿速度强烈依赖于膜厚。当膜厚较薄的时候,共混之后的PS薄膜的去润湿速度介于单分散低分子量PS薄膜与单分散高分子量PS薄膜的去润湿速度之间,由于渗透几率和接触分子的形成使得去润湿速度随混合比例的增加并非单调变化。当薄膜较厚时,由于较强的受限作用,少量高分子量PS的加入使得去润湿速度反而比单分散低分子量PS薄膜更快,去润湿速度随着高分子量PS含量增加而减慢。此外,膜厚的增加导致去润湿过程中的孔数在减少。2.分子量的多分散性对聚合物薄膜去润湿行为的影响:通过两种不同分子量的PS共混构建与单分散PS相同的重均或数均分子量模型体系(非缠结模型体系和缠结模型体系),比较其去润湿行为。研究表明,当共混薄膜中含有较少的长链PS时,处于短链PS薄膜和基底之间的强受限环境,一方面,较强的受限作用使长链PS出现了解缠结现象,加速长链PS的运动;另一方面,富集在基底的解缠结长链PS层,减小了薄膜表面短链PS与基底之间的界面摩擦。因此其去润湿速度较快。当共混薄膜中含有较多的长链PS时,长链PS含量较多,富集到基底的长链PS层变厚,其受限程度减弱,一方面,受限作用使长链PS紧密的排列在基底上,限制了长链PS的运动;另一方面,薄膜表面的短链PS向下层渗透,形成接触分子,抑制去润湿,因此其去润湿速度减慢。当薄膜不存在受限时,薄膜表面的缠结链起到了类似缠结剂的作用,使其与下面长链缠绕在一起,抑制了去润湿,使其去润湿速度减慢。3.混合溶剂诱导聚合物薄膜去润湿动力学:探讨了丙酮(良溶剂)和乙醇(非溶剂)以及丙酮(良溶剂)和正己烷(非溶剂)诱导聚合物薄膜发生去润湿行为,发现非溶剂在混合溶剂中起重要作用。PS薄膜在混合溶剂中,一方面非溶剂能够抑制PS链的运动,另一方面非溶剂与固体基底的亲和性不同,可以诱导纳米相分离。因此非溶剂体积分数对去润湿过程中孔的形成过程和动力学过程有着重要的影响。4.聚苯乙烯(PS)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)双层薄膜体系的去润湿动力学:发现PS/PMMA双层膜的去润湿形貌不随着PS和PMMA膜厚及分子量的变化而变化,形成标准的圆形。当下层PMMA分子量较小的时候,上层PS薄膜去润湿速度随着下层PMMA膜厚的增加而增加。当下层PMMA分子量增大的时候,随着下层PMMA薄膜厚度的增加,上层PS薄膜的去润湿速度减慢。当PMMA分子量进一步增大到类固性质时,上层PS分子量对双层薄膜去润湿过程起到了重要的作用,即当PS分子量略大于缠结分子量时,其去润湿速度随着下层PMMA膜厚的增加而略有增加;当PS分子量进一步增加,其去润湿速度随着下层PMMA膜厚的增加而减慢,这可能是由于界面变形所致。
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