全共轭嵌段共聚物的结晶、微相分离及分子取向调控

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全共轭嵌段共聚物由于兼具自组装性质与导电性,可以通过共聚物的微相分离调控薄膜微结构得到性能最优化的理想结构。本论文针对全共轭嵌段共聚物结晶机理不完善、分子取向控制困难的问题,以聚-2,5-己氧基对苯撑-b-聚-3-己基噻吩(PPP-b-P3HT,BmTn)凝聚态结构调控为核心,系统研究了PPP-b-P3HT在溶液中的自组装、薄膜中分子取向的转变以及两链段间附生结晶的过程,构筑了多种新颖的纳米结构,并揭示了全共轭嵌段聚合物的结晶机理与受限诱导附生结晶的机理。  首先,我们研究了在溶液状态下不同嵌段长度共聚物的结晶行为,将嵌段共聚物按照两嵌段的长度分成T段较长、B段较长和两段长度相当三种情况。先确定了两嵌段的晶胞参数及分子取向:均聚噻吩的晶胞参数为:a=16.44(A)、b=3.80(A)和c=3.70(A),分子取向为edge-on;均聚对苯的晶胞参数为:a=21.20(A)、b=3.78(A)和c=4.24(A),分子取向为face-on。T段较长时抑制B段的结晶,表现为结晶-非晶嵌段共聚物的结晶行为,形成纳米线结构;B段较长时,由于共轭嵌段之间的π-π相互作用以及分子取向的影响最终形成纳米串结构;两嵌段长度相当时,两段结晶形成微相分离层状相结构。  其次,在旋涂薄膜中,利用共聚物熔融焓变和共轭链段与溶剂的相互作用来调控共聚物的纳米线结晶结构与微相分离层状相结构的相互转变。我们选择B39T18和B41T44,其中B39T18中B段的熔融焓变较T段更大,在非选择性溶剂中B段优先聚集后抑制T段结晶;在B段选择性溶剂中,由于疏溶剂作用促进T段的聚集,从而形成微相分离层状相结构。B41T44则由于链段长度相近,在非选择性溶剂中形成层状相,选择性溶剂促进T段聚集以后T段的结晶作用增强,结晶可突破微相分离。  最后,我们通过热退火控制嵌段共聚物的分子取向从face-on转变成热力学稳定的edge-on,并利用部分熔融受限诱导两段相互附生结晶。通过原位2D GIXD分别观察了B29T9、B39T18和B41T44的热退火过程中分子取向的变化:发现由于B29T9中T段太短,即使在热退火后T段的结晶作用也不能表现出来,经过熔融退火以后B段的分子取向从face-on转变成edge-on; B39T18在初始膜中是B段结晶而T段结晶被抑制,在升温的过程中B段熔融以后T段的结晶即可显现出来,降温以后两段都以edge-on取向结晶;B41T44则在初始膜中就同时存在有B段和T段的结晶,在热退火以后B段的face-on取向转变成edge-on。使用AFM和TEM观察了热退火过程中嵌段共聚物形貌结构的变化:经过热退火以后B29T9的纳米串结构消失;B39T18和B41T44两链段都结晶后发生微相分离,形成层状相结构。我们利用聚合物的熔程范围,控制其部分熔融,在薄膜中受限诱导两段的相互附生结晶。我们通过控制加热的温度控制嵌段共聚物的附生结晶过程:B39T18在成膜后,B段分子采取face-on取向而T段分子的结晶被抑制,在加热至B段熔融以后,T段即以edge-on取向开始结晶,并在冷却结晶的过程中诱导B段发生face-on到edge-on分子取向的转变;在热退火的过程中控制温度在B段的熔程范围内,由于B段的部分熔融使得T段分子得以伸展后结晶,但是由于空间位置的受限诱导T段也采取face-on取向,再降温结晶时,T段以face-on取向诱导B段分子附生结晶。对于face-on和edge-on而言,其中edge-on是热力学稳定的状态。
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