高分子薄膜的提拉法制备及成膜机理研究

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近年来,高分子薄膜作为理想的材料广泛应用于生物医学、光电器件、传感吸收、能源催化等方面。尤其是在固体表面涂覆和制备高分子纳米薄膜更是引起了研究者的极大兴趣。在本论文中,我们以PVA水溶液在不同固体基板上以不同成膜方法制备薄膜为例,初步揭示了高分子在固体表面成膜的微观机理。我们研究了一系列具有不同表面结构和化学性质的固体表面,包括超疏水基板、超亲水基板、超润滑基板、疏水基板、亲水光滑基板等不同表面,指出浸渍提拉法优于其他方法的主要原因,并系统研究了浸渍提拉法在固体表面成膜的机理,主要结果如下:(1)在超疏水和超润滑表面上具有很强的抗粘附性,液体难以在其表面铺展,无法制备连续的薄膜。相反,在超亲水基板表面,表现出最好的成膜性质,各种薄膜制备方法均可以在其表现形成光滑连续的薄膜。因此在亲水固体表面适当增加粗糙结构,将大大提高成膜性。(2)在光滑的固体表面,无论亲水还是疏水,都可以通过浸渍提拉法使液膜在其表面实现液膜的强制浸润,从而制备得到厚度均匀的高分子薄膜。相比于常用的旋转涂膜法,浸渍提拉法制备薄膜适用的基板范围更广,尤其适合在具有复杂几何结构和化学性质的固体表面连续化制备大尺寸薄膜或涂层。(3)我们通过系统研究PVA水溶液在PDMS和硅表面的成膜机理。发现了纳米膜厚度与提拉速度的关系,在高的拉伸速率下,膜厚符合Landau-Levich理论,但表现出系数的显著差别;在低的拉伸速率下,膜厚与提拉过程无关。我们揭示了薄膜制备过程中两个决定因素,即在高速下由液膜厚度决定,在低速下由挥发速率决定。(4)我们研究了不同溶液浓度对高分子薄膜厚度的影响。我们发现通过合理地控制溶液浓度,采用浸渍提拉法可以很好地制备出厚度为20-500nm范围的薄膜。结合提拉速率控制和溶液浓度控制,可以实现薄膜厚度的精确控制,在固体表面形成厚度均匀可控的薄膜。基于细致的研究结果,我们最终提出了高分子溶液在提拉过程中成膜的微观机理。
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