含氟硅两组分聚合物膜的微结构与表面性质研究

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含氟聚硅氧烷(简称氟硅)把氟代烷基作为侧链结合到聚硅氧烷分子中,使之兼具聚硅氧烷的一般特性、氟聚合物的耐油耐溶剂性能。作为共聚组成,氟硅还能有效改善聚合物的物理化学性质尤其是表面润湿性能。然而,目前的研究无法从含氟硅多组分聚合物的组成、链段序列结构等因素出发,为低表面能涂料、低表面能化工新型材料等相关领域的应用提供科学指导。本文以最常见的氟硅―聚[甲基(3,3,3-三氟丙基)硅氧烷](PMTFPS)与聚苯乙烯(PS)这两种组分的无规共聚型接枝共聚物、嵌段共聚物为研究对象,开展了含氟硅无规共聚物、嵌段共聚物、共混聚合物膜的分子组成、本体微结构、表面微观形貌与表面性质研究,并获得以下研究结果:一、制备得到无规共聚型PS-g-PMTFPS接枝共聚物,获得其化学组成、本体微结构、表面微观形貌与表面润湿性能之间的构效关系(1)通过氟硅大分子单体V-PMTFPS与苯乙烯(St)的细乳液聚合,制备得到稳定的PS-g-PMTFPS接枝共聚物乳液。对其聚合反应动力学研究发现:反应温度为70℃,引发剂用量为1wt%,乳化剂用量为1wt%,助乳化剂用量为5wt%,V-PMTFPS用量为10wt%时,其聚合反应速率较快、转化率相对较高。(2)DSC分析结果表明,不同组成的PS-g-PMTFPS接枝共聚物的玻璃化转变行为有所不同,其中PMTFPS链段的含量会影响它们的玻璃化转变温度;TEM测试结果表明,不同组成的PS-g-PMTFPS接枝共聚物膜的本体存在明显的微相分离现象,且PMTFPS链段的含量会影响它们的微相分离结构。(3)AFM测试表明,不同组成的PS-g-PMTFPS接枝共聚物膜的表面并没有明显的微相分离结构,且其表面微观形貌并没有随PMTFPS链段含量的变化而有明显变化;接触角分析表明,PS-g-PMTFPS接枝共聚物膜比纯的PS有更好的拒水和耐溶剂性能,且共聚物膜的表面能在24.43–26.34mJ/m2之间。二、获得了PS与PMTFPS嵌段共聚物膜的化学组成、本体微结构、表面微观形貌与表面润湿性能之间的构效关系(1)研究表明,PS与PMTFPS嵌段共聚物的组成与结构对嵌段共聚物膜的本体微结构有显著影响,随着PMTFPS链段含量的增加,可呈现层状、PS柱状等微相分离结构;AFM分析表明,由于嵌段共聚物在表面的自组装,嵌段共聚物膜表面可呈现出与本体微相分离结构不同的微观形貌,并赋予膜表面一定的粗糙度。(2)对于PS与PMTFPS的嵌段共聚物,膜表面的氟原子以及Si-O链段的含量远高于嵌段共聚物的理论平均值。而且当共聚组成中PMTFPS链段的摩尔分数为52.1%时,共聚物膜的表面几乎全部被PMTFPS链段所覆盖。此外,嵌段共聚物膜表面的水接触角均高于102.7°,对甲酰胺的接触角均高于88.2°,表明含氟硅嵌段共聚物具有优良的憎水及耐溶剂性能。三、获得了PS/PS-b-PMTFPS-b-PS共混聚合物膜的化学组成、本体微结构、表面微观形貌与表面润湿性能之间的构效关系(1)PS/PS-b-PMTFPS-b-PS共混聚合物本体未呈现有序的微相分离结构,这可能是由于PS和PMTFPS具有相近的溶度参数的缘故;随着PS-b-PMTFPS-b-PS含量的变化,共混聚合物膜表面微观形貌会发生显著变化,且嵌段共聚物含量较高时,嵌段共聚物会在聚合物膜表面形成胶束而出现孔洞结构。(2)XPS分析结果显示,由于PMTFPS链段的表面富集,只要加入0.58wt%的PS-b-PMTFPS-b-PS三嵌段共聚物,共混聚合物膜表面38的深度就几乎全部被PMTFPS链段所覆盖。(3)当PMTFPS链段含量为1.96mol%时,共混聚合物膜对水的接触角可达104°,这接近于纯的PMTFPS的水接触角,但随着PMTFPS含量的进一步增加,共混物膜的水接触角提高并不明显。(4)当PMTFPS链段含量为0.58wt%和1.16wt%,聚合物膜的表面能只比纯的PS膜降低很少;即使PMTFPS链段含量达29.1wt%,聚合物膜的表面能仍高于纯的PMTFPS的表面能。
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