基底界面链构象对聚苯乙烯薄膜分子运动行为的影响机理研究

作     者：张皓菘 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王新平;左彪

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：聚苯乙烯薄膜 界面效应 基底界面分子链构象 影响深度 玻璃化转变温度 界面宽化 

摘      要：随着纳米科技的迅猛发展,对纳米材料分子运动的研究已经成为材料科学中的一个重要课题。当聚合物纳米薄膜的厚度降低至纳米尺寸时,薄膜的许多物理性质将会偏离本体。近二十年来大量研究表明界面链构象是影响聚合物薄膜分子运动行为的重要因素之一,但受限于实验方法和表征手段,基底界面处分子链构象对于界面效应的影响机制一直没有得到明确的阐述。聚合物分子刷随着接枝密度的降低,其链构象会发生从伸展“刷子(Brush)状构象向塌缩“蘑菇(Mushroom)状构象的转变,这样的高分子链构象可变的聚合物体系是研究基底界面结构对聚合物薄膜分子运动行为影响的优良模型。因此,本论文选择聚苯乙烯(PS)分子刷作为基底,构建了一系列下层为PS分子刷、上层为PS薄膜的PS分子刷-薄膜双层结构,研究了不同密度的PS分子刷对PS薄膜分子运动的影响深度h、PS刷-膜体系的玻璃化转变温度以及PS薄膜在PS分子刷基底上的去润湿行为,并进一步探究了PS刷-膜间分子链的互穿行为,探讨了基底界面链构象对于薄膜分子链段运动影响的机理。主要结论如下:(1)研究了PS分子刷-PS薄膜双层体系的T与分子刷基底密度的关系。发现PS刷-膜体系的T对分子刷基底接枝密度呈现非单调依赖性。当分子刷基底处于中等密度值(～0.44 chain/nm)时,PS刷-膜体系的T随上层PS膜厚降低而降低的幅度最小。当PS分子刷基底密度较高(0.44 chain/nm)或较低(0.44 chain/nm)的分子刷采取竖直而紧密的“刷子(Brush)状构象,其与上层PS薄膜分子之间相互排斥,难以发生界面互穿;较低接枝密度(0.44 chain/nm)的分子刷易于与上层PS薄膜分子相容,但由于接枝链数目较少,界面区域分子刷链的相对浓度较低,所以界面互穿程度较低。只有当分子刷基底为中等接枝密度(～0.44 chain/nm)时,刷-膜间的相容性与界面区域的分子刷链浓度两种效应达到平衡,使PS分子刷链与PS薄膜分子链之间互穿程度达到最高。故此时PS分子刷基底能够有效抑制PS薄膜的去润湿,并且基底界面效应对PS薄膜分子运动的影响深度h最大。与此同时,刷-膜界面处的高度互穿导致界面分子链间摩擦力较大,链间摩擦力的增强使得分子刷与薄膜界面处低运动能力的微区尺寸增大、数量增多。这些微区在聚合物体系内相互连结形成大规模低运动能力的逾渗网络,抑制了整个薄膜分子链段的运动,使得PS刷-膜体系的T升高。