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现有的关于微相分离和结晶的研究,主要基于热力学考虑,即有序无序转变温度、玻璃化转变温度和结晶温度,三者间的相对大小决定最终的自组织结构。其它影响微相分离和结晶耦合关系的因素,如体系的初始形态,自组织过程中的动力学,以及自组织的环境等,则研究的非常少。另外,到目前为止,关于ABC三嵌段共聚物,特别是半结晶性ABC三嵌段共聚物,在溶液和薄膜中的自组装研究的非常少,有许多科学问题有待探索。
本论文以PS-b-P2VP-b-PEO三嵌段共聚物为主要的研究对象,着重考察半结晶性ABC三嵌段共聚物在不同环境中的自组装行为,系统研究了PS-b-P2VP-b-PEO在稀溶液、薄膜和溶剂挥发过程中,微相分离和结晶的相互关系。
首先,笔者研究了PS-b-P2VP-b-PEO在稀溶液中的自组装。溶液中微量水与PEO之间的氢键作用,导致了PS-b-P2VP-b-PEO三嵌段共聚物的聚集,形成球形胶柬。室温下,在PEO结晶的驱动下,这些球形胶束逐渐转变为方形片晶。通过调节溶液中水的含量,能制备不同大小的的规整的聚合物片晶。笔者还分析了PEO片晶表面P2VP-b-PS嵌段高分子刷的状态(高度:3.5-14.3 nm,接枝密度:0.086-0.36)。P2VP-b-PS嵌段刷对不同溶剂蒸汽具有响应性:由于溶剂对P2VP和PS嵌段不同的选择性,可以通过不同的溶剂蒸汽来诱导嵌段刷的相分离,从而调控其表面形貌。
为了深入研究可结晶嵌段在体系中的分布对其结晶行为的影响,笔者将PEO和PS无规共混在胶束的外壳中,然后利用溶剂蒸汽诱导胶束薄膜的结晶。为此,本文利用PS-b-P2VP-b-PEO中P2VP和PS-b-AA中PAA之间的氢键作用,制备聚合物复合胶束:P2VP与PAA的组装体为胶束内核,PS和PEO无规分布于胶束外壳中。胶束的初始形貌对其溶剂诱导结晶过程有很大影响:如果薄膜由柱状胶束和球形胶束组成,结晶成核和生长能在数分钟内完成,形成大量的方形片晶;如果薄膜完全由球形胶束组成,在溶剂诱导过程中,球形胶束会组装成柱状聚集体,在柱状聚集体的中心,PEO完成初步的聚集和成核,最终缓慢形成方形片晶。浓溶液近似理论表明,在溶剂蒸汽中,PS与PEO的相分离不能被完全抑制。在PS和PEO的相分离的推动下,球形胶束转变为柱状聚集体,从而促进了PEO的结晶成核和生长。
除了溶液和薄膜,我们还深入地研究了从溶液到薄膜的转变过程中,PS-b-P2VP-b-PEO的微相分离和结晶的相互关系。本文发展了一种新方法,通过旋涂即可快速得到大面积规则的高分子薄膜。在溶剂挥发过程中,PS-b-P2VP-b-PEO的自组装主要与溶剂挥发速度、薄膜厚度和基底性质有关。当溶剂选择低挥发性的DMF,基底与PEO和P2VP相亲的硅片或云母,薄膜厚度控制较薄时.能通过旋涂得到大面积规则的六方点阵,而PEO的结晶基本被完全抑制。有序的微相分离图案的形成机理主要包括:基底的诱导作用(中间嵌段P2VP润湿基底),旋涂初期溶剂的快速挥发,以及旋涂后期残留溶剂的缓慢扩散。相同条件下,增加薄膜厚度,将导致PEO结晶趋势的逐渐增强,薄膜表面的树枝状晶体逐渐增多,而六方点阵图案仍然存在。当薄膜厚度超过12.0 nm时,结晶完全主导薄膜的表面形貌,微相分离被抑制。