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嵌段共聚物可以自组装为纳米尺度的有序结构,这使其在纳米技术领域有着广泛的应用前景。因此,发展调控嵌段共聚物自组装结构的新方法是嵌段共聚物研究中的一个重要课题。由于链结构是影响其自组装行为的一个重要因素,因此一个最直接的办法就是通过精确合成复杂的共聚物链来达到调控的目的。另外一种选择就是通过两种或多种不同聚合物的共混。这一方法的优势不仅在于它的经济,更重要的是共混不但能调节原有单成分聚合物体系的性质,还能够产生其成员共聚物所不具有的新性质。
然而,对聚合物共混体系的研究将会遇到一个很棘手的问题,那就是其复杂性。共混体系的复杂性来源于:1.多种聚合物的共混必将增加体系的可控参数,而且可控参数的数量随着体系中聚合物成员的增加而迅速增加。2.多元混合体系可能会发生宏观相分离,使体系分为具有不同结构或对应不同参数的两种或多种相。对于如此复杂的体系,仅仅依靠实验方法的探索来寻找其规律是非常困难的,因此理论的指导就显得格外重要:如果能在理论上得到体系的自由能,通过对不同结构的自由能的比较,就可以预言共混体系的相图,进而指导实验研究。
在过去几十年对共混体系的研究过程中,基于平均场近似的各种理论方法相继被提出。其中,自洽平均场理论(SCFT)作为假设最少的理论之一,给出了与实验结果符合得很好的结果和预言。本学位论文将利用该理论研究嵌段共聚物共混体系的相行为。在第二章,我们将对共混体系的自洽平均场方程进行推导。首先,我们将从聚合物的自由连接链模型出发导出自洽平均场的标准粗粒化模型.高斯链模型。然后利用高斯链模型在正则系综和巨正则系综框架下推导出相应的自洽平均场方程。最后,我们给出自洽平均场方程的一个有效的计算方法-倒空间方法,并通过平面波基矢展开,得到自治场方程所满足的代数表达式。在第三章中,我们利用第二章所提出的理论方法,研究由对称两嵌段共聚物长链和近对称两嵌段共聚物短链所构成的共混体系的相行为。研究的重点是具有不同聚合度和成分构成的短链两嵌段共聚物对体系相行为的影响。通过比较不同结构的自由能,我们构造了体系的相图。相图涉及整个共混比例范围和较大的分离强度范围。通过分析相图,我们就长链和短链共聚物之间的链长比R对共混物的相容性以及不同有序结构的稳定性的影响进行了广泛的讨论。体系中由于长链聚合物为对称两嵌段共聚物,因此其自组装形态为层状相,而短链为近对称两嵌段共聚物,其结构根据情况不同可以是无序相、球状相、柱状相或层状相。理论结果表明,共混体系表现出较单一成分共聚物熔体复杂得多的相行为。首先,我们预言了随着短链两嵌段共聚物体积分数的增加,一系列有序相之间的相变将会发生,将出现由层状相到非零界面曲率的有序相(如柱状相和球状相)的转变。值得一提的是,我们发现在分离强度较高的时候,两个嵌段共聚物熔体自身自组装为层状相,但在其共混体系很大的共混比例范围内,柱状相将是热力学稳定相。这一结果与实验观察有很好的符合。其次,当两种共聚物链的链长比R足够大时,在较强分离域,宏观相分离将发生。由于短链熔体自身形成的结构随着分离强度的变化会不同,理论所预言的共混体系中的共存相也较为复杂,包括:层-无序(相)共存,层-柱共存,柱-柱共存,柱-无序共存,球-无序共存,柱-球共存等共存区将在相图中出现。另外,我们也绘制了体系中典型有序结构的密度图以便理解不同链在有序结构中的分布。在第四章中,我们扩展了对两嵌段共聚物共混体系的研究范围,主要考虑长链共聚物处于强分离条件下,两种共聚物的成分组成和链长比对体系相行为的影响,进而探索宏观相分离和微相分离之间的关系。为了扩大所要计算的参数空间,我们对有序结构采用了单元胞近似(unit-cell approximation),并利用Bessel基函数对自洽平均场方程进行展开。我们研究了四类共混体系,对每一类均比较不同结构(层、柱、球和无序相)的自由能,构造相图。研究发现微相分离和宏观相分离的竞争导致了体系复杂的相行为。首先,通过调节共混比例,将会得到不同的有序结构。短链共聚物倾向于聚集在长链共聚物所形成的有序结构的界面处,从而改变其界面性质,进而影响到不同结构的稳定性。在微相分离方面,共混体系自组装的一个重要特征是,通过共混,可以打破在单一成分的共聚物熔体中有序结构与体系成分组成之间的关系。例如,两种各自形成层状相的两嵌段共聚物通过混合可以得到柱状相;在某些参数下,即使系统中A嵌段体积分数接近0.5,我们依然可以得到球状相;当体系中A嵌段体积分数小于0.3的时候,层状相依然是稳定结构。这些均是在单一两嵌段共聚物的熔体中所没有的。其次,当两种共聚物链的链长比较大时,宏观相分离将有可能发生,这在很大程度上影响微相结构在相图中的稳定区域。另外我们也试图通过对不同有序结构的能量进行分解,研究宏观相分离和有序结构相变的机理。在第五章中,我们尝试讨论嵌段共聚物的链结构对其共混体系相行为的影响,研究体系包括由AmBm和AnBn两种星型共聚物组成的共混体系,以及由AnBn和均聚物A组成的共混体系。对前者,我们主要讨论共聚物的链结构对其相容性的影响,而对后者,则主要讨论宏观相分离和微观相分离之间的竞争对体系相行为的影响。希望我们的理论研究为未来的实验工作提供一定的指导作用。