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高分子薄膜在防护涂层、平版印刷、选择性渗透膜、光电器件、数据储存、微反应器等方面有着巨大的应用前景。然而高分子薄膜的稳定性是影响其应用的一个重要因素,因此近年来众多科学家针对高分子薄膜的去润湿行为进行了广泛的探讨和研究。此外,高分子薄膜是低维物理的理想模型体系,因为高分子具有较低的蒸汽压(质量守恒)和较慢的运动性(时间分辨),所以探讨高分子薄膜的去润湿行为必将有助于低维凝聚态物理的发展。总之,研究高分子薄膜的去润湿行为,无论在基础研究还是在实际应用方面都有着重要的意义。本论文主要借助于光学显微镜和原子力显微镜等实验手段来研究高分子薄膜体系的去润湿行为;分析并探讨了高分子溶液膜,高分子共混膜及高分子多层膜的去润湿行为。
1.良溶剂诱导去润湿过程:针对孔的增长动力学问题,研究了分子量、薄膜厚度、溶剂性质等对孔增长动力学的影响。利用原位手段跟踪了高分子溶液膜的去润湿动力学过程,发现当高分子溶液浓度较低或高分子的分子量较低时,高分子溶液膜的孔增长动力学与悬浮膜的孔增长动力学是相似的;当高分子溶液浓度较高时,高分子溶液膜的孔增长动力学与高分子熔体膜的孔增长动力学是相似的。此外,针对边的稳定性问题,探讨了膜厚和分子量对边的稳定性的影响,并发现高分子溶液在基底上的接触角和边的宽度是影响边的稳定性的根本性因素。
2.非溶剂和混合溶剂诱导的去润湿行为:研究了以水和乙醇作为非溶剂来诱导高分子薄膜的去润湿行为,并提出非溶剂是以一种新的机理(渗透取代机理)诱导薄膜发生去润湿的;同时发现温度的改变明显地影响去润湿的形貌,从而阐明了高分子链的运动能力是影响薄膜去润湿形貌的重要因素。此外,初步探讨了以水和丙酮的混合物作为混合溶剂来诱导薄膜的去润湿行为,发现无论在亲水的基底上还是在疏水的基底上,高分子的滑移效应都能影响薄膜去润湿的孔增长动力学过程。
3.共混薄膜的去润湿行为:研究了四臂星形4-arm poly(4-vinylbenzyl chloride)(pVBC)和线型PS共混薄膜的去润湿行为,发现不同拓扑结构高分子在基底上表现出不同的润滑行为。在去润湿过程中观察到两种去润湿机理(spinodal dewetting机理和成核增长机理)。此外,还研究了添加物与高分子的相容性对抑制高分子薄膜去润湿机理的影响,发现对不同的相容性的体系,抑制高分子薄膜去润湿的机理是不同的。对相容的体系,去润湿过程中,添加物会富集在三相接触线上:从而使得去润湿的阻力增大,最后三相接触线被固定。对不相容的体系,首先,在旋涂过程中添加物先富集在基底上;然后PS膜在添加物的富集层上发生去润湿。只有当PS在固体基底上的接触角大于PS在添加物上的接触角时,添加物才能抑制PS膜的去润湿。这一研究对选择添加物抑制薄膜去润湿有一定指导意义。
4.多层膜的去润湿行为:首先,研究了液-液去润湿过程与液-固去润湿的竞争过程,发现成孔时间和去润湿速度是影响它们竞争关系的主要因素;进一步探讨了液-液去润湿中孔增长动力学,并发现固体基底能通过影响下层高分子链的运动能力影响上层膜的去润湿速度;先前的理论忽略了这一重要的影响因素,从而使得我们的实验结果与先前理论的结果不完全一致,该研究结果将有助于液一液去润湿孔增长动力学理论的进一步完善。此外,第一次报道了加一层不易变形的类固体层在液体层上,然后让高分子薄膜在这样一个基底上发生去润湿(这个基底就像一张浮在液体上的毯子),研究在这种基底上的去润湿行为,发现上层膜的去润湿速度与中间层的厚度及它的变形情况有关。