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混合过程对嵌段共聚物自组装的影响

作　者: 杨冠英
导　师: 郑家军
学　校: 太原理工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 嵌段共聚物自组装选择性溶剂退火混合
分类号: O631.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

嵌段共聚物的自组装可在溶液、薄膜和本体中进行,能够得到纳米级的有序自组装结构,是化学、材料学和生物学界关注的热点。其中的溶液自组装和薄膜自组装具有操作过程简便、实验因素易控制和成本较低的优势,因而成为共聚物自组装领域研究和应用的重点。嵌段共聚物PS-PEO(聚苯乙烯-聚环氧乙烷)和PS-P2VP(聚苯乙烯-聚2-乙烯基吡啶)都具有一个亲水嵌段和一个憎水嵌段,在选择性溶剂或蒸汽中可以发生自组装现象,通过对混合比例、溶剂条件和退火条件等因素的调节可以得到一系列有规律的自组装结构。对他们自组装过程和结构的研究有助于对嵌段共聚物自组装理论研究的深入的和其应用的拓展。基于此,本课题以嵌段共聚物PS-PEO和PS-P2VP为研究对象,分别研究了混合比例及溶剂/蒸汽条件对二元共聚物混合体系选择性溶剂及薄膜自组装的影响。运用原子力显微镜(AFM)等手段对自组装形貌进行了分析,总结了自组装形貌调控的规律,提出了新颖的混合自组装形貌学上的理论。通过分析实验数据,得到了以下结论：(1)在共聚物PS-P2VP和PS-PEO混合体系的选择性溶剂自组装过程中,PS-P2VP的加入,改善了PS-PEO在乙醇一氯仿混合溶剂中的溶解性,通过改变PS-P2VP的分子量和嵌段比例,可对自组装胶束的尺寸和结构进行调控。1)在溶剂中不可溶或无法完全自组装的共聚物分子,可以由在溶剂中可完全自组装的另一种共聚物分子裹挟而形成完整的自组装结构；2)混合体系中增加不可溶或无法完全自组装的共聚物分子的比例,混合自组装胶束的尺寸会随之增加；3)可完全自组装的共聚物所能够裹挟的不可溶或无法完全自组装共聚物的量是有限的,综合数据,这个极限约为1摩尔可完全自组装共聚物可裹挟1摩尔不可溶或无法完全自组装共聚物；4)不可溶或无法完全自组装共聚物的加入会对可完全自组装共聚物的自组装结构产生影响：由于前者被裹挟在后者结构之中,在加入的比例接近1：1(摩尔比)时会使得共同形成的胶束尺寸增加,当比例大于1：1(摩尔比)时过量的不可溶或无法完全自组装共聚物会在胶束以外形成形貌接近单独自组装时的不规则结构。(2)在共聚物PS56K-P2VP21K和PS23.6K-P2VP10.4K混合体系的蒸汽退火自组装过程中,混合比例和溶剂／蒸汽条件都可以对自组装的形貌和尺寸进行调控。1)分子量较大的共聚物在薄膜退火自组装过程中的相分离会受到其在薄膜中移动自由度的限制,使相分离被限制在更小的范围内,与小分子量的共聚物混合自组装可以增强其相分离；2)对优先吸附在基质表面的嵌段拥有更好溶解性的溶剂对共聚物薄膜退火时的相分离有增强作用；3)若两种共聚物在单独薄膜退火自组装过程中形成不同类型的形貌,则这两种共聚物混合退火自组装时的形貌与质量分数较大的一种共聚物单独自组装时的形貌类似,在质量比约1：1时形成过渡形态；4)若两种共聚物在单独薄膜退火自组装过程中形成相同类型的形貌,则这两种共聚物混合退火自组装时的形貌也将是同一类型,尺寸随混合比例的变化在两种共聚物单独自组装时的尺寸之间过渡。5)蒸汽选择性对共聚物薄膜退火自组装有很大影响,蒸汽选择溶解的嵌段比例较小时容易产生自组装,相反则相分离现象较弱。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-37
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 嵌段共聚物的自组装  12-17
    1.2.1 嵌段共聚物  12
    1.2.2 嵌段共聚物自组装的概念  12-17
  1.3 嵌段共聚物自组装的应用  17
  1.4 溶剂自组装研究的主要方法及研究进展  17-27
    1.4.1 动力学手段控制  17-18
    1.4.2 超分子方法  18-23
    1.4.3 利用结晶性  23-25
    1.4.4 化学方法改变双亲性  25-27
  1.5 薄膜自组装研究的主要方法及研究进展  27-30
    1.5.1 共聚物性质  27-28
    1.5.2 基质和退火条件  28-29
    1.5.3 混合退火  29
    1.5.4 其他研究方法  29-30
  1.6 嵌段共聚物自组装研究和应用面临的障碍  30-31
  1.7 选题思路及研究内容  31-32
  参考文献  32-37
第二章设备仪器  37-40
  2.1 实验仪器及化学试剂  37-39
    2.1.1 实验仪器  37-38
    2.1.2 化学试剂、气体和耗材  38-39
  2.2 样品制备及表征  39-40
第三章二元共聚物混合体系的选择性溶剂自组装  40-50
  3.1 引言  40-41
  3.2 实验部分  41-42
  3.3 PS_(19K)-PEO_(6.4K)和三种PS-P2VP分别在混合溶剂中自组装  42-43
  3.4 PS_(19K)-PEO_(6.4K)和PS_(8.2K)-P2VP_(8.3K)两种聚合物在溶剂中混合自组装  43-44
  3.5 PS_(56K)-P2VP_(21K)和PS_(23.6K)-P2VP_(10.4K)两种聚合物在溶剂中混合自组装  44-45
  3.6 PS_(56K)-P2VP_(21K)和PS_(8.2K)-P2VP_(8.3K)两种聚合物在溶剂中混合自组装  45-46
  3.7 本章小结  46-47
  参考文献  47-50
第四章二元共聚物混合体系的薄膜自组装  50-64
  4.1 引言  50
  4.2 实验部分  50-52
  4.3 PS_(56K)-P2VP_(21K)和PS_(23.6K)-P2VP_(10.4K)的单独乙醇蒸汽退火自组装  52-54
  4.4 PS_(56K)-P2VP_(21K)和PS_(23.6K)-P2VP_(10.4K)的混合体系在乙醇蒸汽中退火  54-58
    4.4.1 混合体系在氯仿中溶解后于乙醇蒸汽中退火  54-56
    4.4.2 混合体系在四氢呋喃中溶解后于乙醇蒸汽中退火  56-58
  4.5 PS_(56K)-P2VP_(21K)和PS_(23.6K)-P2VP_(10.4K)的混合体系在甲苯蒸汽中退火  58-59
  4.6 本章小结  59-60
  参考文献  60-64
第五章结论和展望  64-66
  5.1 结论  64-65
  5.2 展望  65-66
致谢  66-67
攻读硕士学位期间发表的学术论文  67

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