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嵌段共聚物由于嵌段之间的热力学不相容性会导致微相分离的发生,当其中含有可结晶嵌段时,相行为将变得更为复杂。传统的线型嵌段共聚物已经在改善共混体系界面相容性、纳米技术、表面修饰与改性等领域有了广泛的应用。随着合成技术的发展,人们可以很容易地获得结构和分子量精确可控的非线型嵌段共聚物,这些新型的嵌段共聚物正越来越受到人们的关注。聚合物产品的结晶行为对其物理和力学性质有着重要的影响。研究含有可结晶嵌段的非线型嵌段共聚物,有助于更加清晰地揭示不同的控制因素对微相分离行为和结晶行为的影响,建立结构与性能之间的关系,更好地理解其物理本质。
本论文以一种新型的H型(PS)2PEG(PS)2嵌段共聚物为研究对象,首先合成了一系列具有相同PEG链长、不同PS链长的共聚物,然后通过示差扫描量热仪、X射线小角散射、广角衍射、原子力显微镜、偏光显微镜等实验手段对这些嵌段共聚物的相行为进行了系统的研究,主要侧重于结晶行为方面,从自成核、结晶动力学、链构型、薄膜受限等方面探讨了PS链对PEG结晶的受限作用,主要获得以下创新性结果:
1.使用具有相同PEG分子量的样品,在研究其结晶行为时可以排除聚合度的影响,仅从受限程度的角度出发。
2.在自成核行为的研究中,PEG含量为75wt%的样品呈现出经典的自成核行为,PEG含量为49wt%的样品,不同位置的PEG链的活动能力不同,只有部分可以发生自成核,当共聚物中PEG的含量只有37.5wt%时,PEG以孤立的微区存在于PS的连续相中,不能发生自成核。
3.对共聚物进行结晶动力学研究,等温结晶过程中,Avrami指数在1~3之间,变化较大,规律性不强;在非等温结晶过程中,某些样品在某些降温速率下的结晶峰不是对称的单峰,而是双峰,我们将此现象规因于PEG嵌段中,不同位置的链段活动能力不同所致,经过Avrami方程分析,结晶峰峰型的变化对应了Avrami指数的变化。
4.我们选取了PEG含量近似相等的H型嵌段共聚物和线型PS-b-PEG-b-PS三嵌段共聚物,对它们的结晶速率、结晶层厚度、非晶层厚度等进行了比较,结果表明:在相同的过冷度下,H型嵌段共聚物的结晶速率快于线型嵌段共聚物,但是结晶层厚度较小,非晶层厚度较大。
5.当H型嵌段共聚物受限于薄膜中,其结晶不再是三维球晶,PEG含量较高的共聚物H8,以四氢呋喃为溶剂时,随着膜厚增加,薄膜从去润湿和树枝晶共存过渡到二维球晶的形貌;以甲苯为溶剂时,共聚物在溶液中可以形成胶束,薄膜中出现较大的方形片晶。对于PEG含量较少的共聚物H19,由于扩散受限,总是形成树枝晶。