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本论文主要研究了外场作用下两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装行为,探讨了温度和剪切对自组装胶束形态的影响。通过改变外场条件实现了胶束形态的转变,并详细研究了胶束形态转变的动力学过程。具体得到的研究结果如下:
1.研究了温度对P4VP-b-PS-b-P4VP三嵌段共聚物在二氧六环/水中形成的环形胶束形态的影响。研究结果发现,当体系温度由20℃提升至60℃时,环形胶束经过拉伸转变为长棒(Cylinders)状胶束。反之,从60℃降温到20℃,长棒胶束能转变成环形胶束,但其转变过程随降温速率不同而不同:慢速降温条件下,长棒胶束首尾相连成环;而快速降温条件下的成环路径则为长棒-球-囊泡-环。进一步的研究表明,胶束由环形到长棒的转变与剪切也有密切关系。没有剪切时,该转变很难发生。
同时我们发现,将环形胶束升温到80℃,环形胶束将转变为短棒(Rods)胶束;降温至20℃,该短棒胶束又能形成环形胶束,其成环路径也随降温速率的不同而不同。
2.通过改变剪切速率和嵌段共聚物的组成,研究了剪切对PS-b-P2VP-b-PEO三嵌段共聚物在THF/水中胶束形态的影响。实验结果表明胶束的形态是剪切和胶束表面张力共同作用的结果。当嵌段共聚物疏水链段较长时(胶束表面张力较大),PS-b-P2VP-b-PEO能够在溶液中形成多间隔节状蠕虫胶束(Segmented WormlikeMicelles,SWM);而当亲水链段较长时(胶束表面张力较小),只观察到了球形胶束。进一步研究发现,有利于形成节状蠕虫胶束的剪切速率随着PS-b-P2VP-b-PEO共聚物亲水链段含量的提高而提高,当亲水链段长度超过疏水链段时,蠕虫胶束则不能形成。此外,我们还研究了剪切对两亲性嵌段共聚物在溶液中胶束形态的影响。两嵌段共聚物PS144-b-PAA22在二氧六环/水中形成囊泡胶束,并发现囊泡的尺寸随着剪切速率的提高而变小,尺寸分布随着剪切速率的提高而变窄。
3.研究了剪切和温度对多间隔蠕虫胶束(Multicompartment wormlike micelles)形态的影响。在20℃和特定的剪切速率下,两亲性三嵌段共聚物PS720-P2VP200-PEO375在THF/水中形成多间隔蠕虫胶束。研究发现蠕虫胶束是由球形胶束通过二次自组装形成的,其形成过程可以分为三个阶段:(1)ABC三嵌段共聚物首先组装形成球形胶束;(2)球形胶束在剪切作用下聚集形成梭形的胶束聚集体;(3)梭状胶束聚集体中的球经过重组和重新调整各嵌段的排布最终形成多间隔蠕虫胶束。通过改变剪切速率,发现蠕虫胶束在特定的剪切速率下才能出现,剪切速率过高或者过低都不利于蠕虫胶束的形成。另一方面,保持剪切及溶液组成不变,将蠕虫胶束溶液加热到40℃,蠕虫胶束将解组装形成球形胶束。通过观察蠕虫胶束解体过程中出现的中间态胶束,发现蠕虫胶束解体过程是其形成过程的逆过程。并且,将40℃下形成的球形胶束冷却至20℃并保持一定的时间,能够再次得到蠕虫胶束。
以上研究结果丰富了人们对嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装行为的理解,为人们通过外场调控胶束形态结构提供了依据。