存在竞争性相互作用的嵌段共聚物/无机盐复合物体系的微相分离行为

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掺杂了无机盐的嵌段共聚物共混体系,因其同时具备了无机盐丰富的物化性质与嵌段共聚物的自组装特性,使得其在锂离子电池、燃料电池、高密度模板等领域具有巨大的应用价值。当无机盐与嵌段共聚物中的某个链段有较强相互作用时,它将会选择性地分布在某一相中,这时,嵌段共聚物通过自组装形成的有序结构会使得无机盐在纳米尺度上形成有序分布,这对嵌段共聚物/无机盐复合材料性能的提升具有重要作用。目前,大部分工作中所研究的嵌段共聚物具有较强的微相分离强度,且认为无机盐只选择性地与其中的某一种嵌段发生相互作用,简化了实际情况。在本论文的中,我们以两种嵌段微相分离强度弱、且均为亲离子链段的嵌段共聚物为研究对象,一方面,无机盐与嵌段共聚物之间较弱的相互作用以及不同无机盐之间的微小差别可以较明显地体现出来;另一方面,我们利用无机盐的掺杂来改变不同嵌段之间的相互作用,通过调节共混体系中各组分之间竞争性作用力的强度来调控体系的微相分离行为。  首先,利用高氯酸锂(LiClO4)成功地诱导了聚己内酯-b-聚氧化乙烯嵌段共聚物(PCL-b-PEO)的均相熔体发生微相分离,通过改变LiClO4的掺杂比例得到了不同的微相分离有序结构。通过对体系“有效”Flory-Huggins相互作用参数(xeff)的计算,发现在较低的锂盐掺杂比例下,LiClO4与PEO的选择性相互作用会使得xeff随掺杂比例线性增加,但是在较高掺杂比例下,LiClO4与PCL的相互作用增强,LiClO4与PEO和PCL的竞争性相互作用会使得xeff随掺杂比例逐渐减小。  通过研究不同PCL-b-PEO嵌段共聚物与LiClO4共混物的微相分离行为,我们构建了PCL-b-PEO/LiClO4共混体系的近似相图。发现当PEO与盐的体积分数之和(fPEO/salt)小于0.5时,该体系的相行为仍然遵循弱分离嵌段共聚物自组装的一些基本原则,但是与传统两嵌段共聚物的相图相比存在两处明显的差别:首先,相图向fPEO/salt较低的方向发生了偏移,并且没有观察到体心立方(BCC)结构;其次,当fPEO/salt>0.5时,观察到一些反常的相转变行为,例如对同一样品升温时发生了由穿孔的层状相(HPL)向层状相(LAM)的结构转变,以及在同一温度下,随着锂盐浓度的增加发生了由六方紧密堆积的柱状相(HEX)向双连续相(GYR)的结构转变。  然后,我们考察了不同的金属离子和阴离子对PEO/无机盐和PCL/无机盐的竞争性相互作用的影响。当金属离子拥有更高的价态和更强的路易斯酸性时,或阴离子拥有更弱的路易斯碱性时,无机盐与PEO之间的络合将会增强,形成更多的“络合”的EO单元,使得诱导发生微相分离所需的无机盐临界掺杂比例r0变小。在较高的无机盐掺杂比例下,PEO嵌段与无机盐的络合可能会达到饱和状态,部分无机盐同样会与PCL发生相互作用,导致有序-无序转变温度(TODT)降低或者使形成有序结构变得更加困难。  最后,我们对聚氧化乙烯-b-聚丙烯酸叔丁酯嵌段共聚物(PEO-b-PtBA)进行部分水解,得到不同水解程度的聚氧化乙烯-b-(丙烯酸叔丁酯-丙烯酸无规共聚物)[PEO-b-P(tBA-stat-AA)],从而获得具有不同氢键作用强度的嵌段共聚物。在较低的水解程度范围内(低于6%),随着水解程度的上升,我们观察到了异常的HEX→BCC→HEX有序-有序相转变现象,这主要归因于两相界面处的氢键作用导致x的降低及其对聚合物链构象的影响。在较高的水解程度下,两种嵌段之间氢键作用逐渐增强,微相分离程度减弱,体系逐渐从有序向无序状态转变,这时随着LiClO4的引入,体系逐渐从无序向有序状态转变。水解程度越高的样品,诱导其发生微相分离并形成有序结构所需要的最低无机盐比例r0也越大。对于特定水解程度的样品,温度较低时体系中氢键作用占主导地位,随着温度升高,氢键作用被削弱,Li+离子与嵌段共聚物之间的络合作用逐渐占主导地位,因而可观察到无序-有序-无序的异常相转变。氢键作用在高温下被破坏时,还导致聚合物的链构象发生变化,有序结构的长周期也随之而改变。
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