高分子薄膜在溶剂环境中的去润湿动力学及形貌调控

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高分子薄膜在防护涂层、光电器件、生物膜、功能界面等方面有着广泛的应用。随着节能减排需求的增加,以及器件小型化和微型化的发展,高分子薄膜的厚度越来越薄。当高分子薄膜的厚度小于hc(毫米数量级)时,特别是纳米级的高分子薄膜,重力的作用可以忽略不计,此时,高分子薄膜的稳定性将变得十分复杂。当高分子链的运动能力增加到一定程度后,高分子薄膜在非润湿的基底上将会发生去润湿。溶剂环境是高分子薄膜经常遇到的环境,同时溶剂环境也会大大增强高分子链的运动能力,从而引发高分子薄膜去润湿。高分子薄膜一旦发生去润湿,既有不利的一面,又有有利的一面。一方面,高分子薄膜发生去润湿会破坏薄膜的完整性,使高分子薄膜丧失功能;另一方面,高分子薄膜的去润湿可以被有效利用。因为高分子薄膜去润湿不仅可以作为一种理想模型或者工具被用来研究高分子薄膜的粘弹性、残余内应力等基础问题,还可以作为一种工程技术应用在图案化、光电器件、生物工程等方面。所以,对高分子薄膜在溶剂环境中的去润湿行为的研究具有重要意义。本论文围绕溶剂环境中高分子薄膜的去润湿行为,从动力学影响因素、尺寸调控、形貌演变等方面进行了研究,具体内容如下:  1.利用原位实验和分子动力学模拟的方法研究了热退火对溶剂诱导高分子薄膜去润湿过程中边不稳定的影响。首先利用分子动力学(MD)和椭偏仪研究了热退火对高分子薄膜初始状态的影响。根据模拟的结果,热退火过程中,由于链构象的改变,膜厚逐渐减小,高分子链和固体基底之间的相互作用逐渐增加;高分子薄膜的密度在膜/空气以及膜/基底处有两个显著的增长点。MD模拟的结果和椭偏仪得到的结果相吻合。此外,退火过程中,高分子链和固体基底之间相互作用的增加导致后退接触角减小。根据实验结果,可以得到最大特征波长,最大边宽和临界半径随着退火时间的增加而逐渐增加,这是由于后退接触角θ的减小造成的。总之,热退火能够显著改变高分子链的构象状态,从而改变高分子薄膜的初始状态,进而影响去润湿过程中边不稳定的情况。  2.在非润湿的基底上,高分子薄膜的溶剂退火过程包括溶胀和去润湿两个过程。自行搭建了一个椭偏仪和光学显微镜的联用的实验平台,利用此平台可以原位研究高分子薄膜的溶胀过程和去润湿过程。明确了溶胀膜结构对溶剂诱导高分子薄膜去润湿动力学的影响。研究结果表明,对于分子量远低于缠结分子量的PS膜,丙酮分子可以在PS膜和固体基底之间形成一层溶剂富集层。丙酮富集层的出现导致低分子量的PS膜呈现e指数的去润湿动力学规律。然而,对于分子量远大于缠结分子量的PS膜,丙酮分子不能在PS膜和固体基底之间形成富集层,去润湿过程中存在滑移效应,去润湿呈现幂指数的动力学规律。  3.研究了PS/PMMA共混薄膜在混合溶剂中的增强去润湿行为,并利用增强的去润湿制备了大面积表面增强拉曼散射(SERS)基底。在旋涂制备高分子共混薄膜的过程中,PS和PMMA发生了垂直相分离,形成了双层结构,上层是PS富集层,下层是PMMA富集层。双层结构中,较厚的一层决定PS/PMMA共混薄膜去润湿液滴的尺寸。去润湿液滴的直径、直径分布以及相邻液滴间的平均间距可以通过改变共混比例和膜厚来调控。在8nm PS/PMMA(1∶1wt%)薄膜去润湿产生的液滴上蒸镀一层银膜,制备了通用的SERS基底。制备的SERS基底同时具有大面积(3.5cm×3.5cm)、信号重复性好(RSD<7.2%)和增强因子高(2.5×107)的优点,以上优点是现有的制备SERS基底的方法所不能同时具备的。高分子共混薄膜增强的去润湿拓宽了去润湿的应用领域,特别是在纳米技术中的应用,为我们提供了制备大面积高效SERS基底的新方法。  4.基于高分子共混薄膜在混合溶剂中的去润湿和自组装的协同作用,提出了一种简单、价格低廉、通用的制备多种非封闭、中空高分子纳米结构有序阵列的方法。首先,利用PS/PMMA共混薄膜和PS/MEH-PPV共混薄膜在混合溶剂中去润湿,制备了PMMA纳米碗和MEH-PPV纳米碗阵列。然后,从动力学影响因素和热力学影响因素研究了构建高分子纳米碗阵列的机理。共混高分子去润湿和自组装的协同作用是成功制备高分子纳米碗阵列的关键。利用相似的方法,还制备了高分子U-形纳米通道阵列和高分子纳米管阵列。此外,研究发现制备的高分子纳米结构在不同的外界刺激下可以发生可逆的转变,这是由于在不同的外界刺激下,高分子界面张力的相对大小发生了变化。因此,可以采取不同的外界刺激,从而达到调控高分子复杂结构的目的。
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