聚合物分子结构与其表面动态行为关系研究

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由于高分子链的运动,高分子表面展现出一种动态的表面。其时间尺度、空间尺度与高分子的结构和环境有关。高分子材料表面的分子链、链段、基团会随着环境的改变而重新排列以适应环境的变化,使界面能最低而达到最稳定状态。高分子表面为适应环境从一个状态到另一个状态的变化过程,称为高分子表面重构。本论文以研究高分子表面重构程度和速度的定量化,表面重构的机理,以及高分子本体结构与其表面重构行为的关系为研究目的,以端基功能化聚苯乙烯、苯乙烯/丁二烯嵌段共聚物、苯乙烯/异戊二烯嵌段共聚物和聚4-甲基苯乙烯等为研究对象,对聚合物的表面重构行为进行了研究。得到以下结论: (1)利用躺滴法(sessiledrop)动态连续跟踪测量模式研究聚合物表面水的接触角随时间变化。结果表明各种聚合物的接触角都随时间迅速降低,最后达到一恒定值即平衡接触角。各聚合物都具有其特有的起始接触角(θs)和平衡接触角(θe)。同时利用Wilhelmy片技术对相应聚合物的动态接触角进行研究。结果发现聚合物样品的前进接触角(θa)与起始接触角(θs),后退接触角(θr)与平衡接触角(θe),Wilhelmy片法测得的接触角滞后值(θa-θr)与起始接触角和平衡接触角的差值(θs-θe)之间都有较好的线性关系。由此表明,接触角的时间依赖性主要是由于水滴与聚合物接触后其表面发生重构引起。起始接触角(θs)与平衡接触角(θe)则分别与聚合物表面疏水性组分和亲水性组分相关。这-结果不仅证实了这二种接触角测定方法之间的相关性,为接触角时间依赖性问题的理论解释提供实验证据,而且也为高分子表面动态行为研究提供新的实验手段。 (2)首次提出了高分子表面重构的两个量化参数,重构程度与重构速率,以重构后的表面接触角和起始接触角的差值与完全重构后的表面接触角和起始接触角的差值的比值百分数((θ-θ0)/(θFR-θ0)×100%)为衡量重构程度的参数,以表面重构程度达到50%所用的时间的倒数(1/t1/2)为衡量重构速度的参数。并用其研究了不同表面氧化时间的聚4-甲基苯乙烯(P4MS)样品表面重构行为。发现外界温度越高,其表面重构程度越大,表面重构速度也越快。而且表面氧化时间短的样品表面重构程度比表面氧化时间长的大,表面重构速度更快。同时还发现Ln(1/t1/2)与1/T符合阿仑尼乌斯方程。并由此计算得到表面氧化不同时间样品的表面重构的活化能Ea。表面氧化时间短的样品表面重构活化能小,进一步解释了表面氧化时间短表面重构程度大速度快的结果。这对于高分子表面重构行为的定量化和动力学研究具有重要的意义。 (3)研究还发现表面氧化后的P4MS表面重构分三个阶段,当环境温度远低于其玻璃化转变温度Tg时,表面能的极性部分γsP明显下降,而表面能的色散部分γsD则没有明显的变化,表面重构主要是由表面极性基团的翻转引起;当环境温度接近或等于Tg时,γsD发生变化,γsP则不变,表面运动主要是链段的迁移。当环境温度高于Tg时,表面发生完全重构。 (4)对不同分子量和分子量分布端羟基聚苯乙烯,以及不同分子量聚甲基丙烯酸-2-羟基乙酯(PHEMA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的表面动态行为的研究表明分子量小和分子量分布宽的聚合物表面对环境响应的速度快,表面重构能力强。 (5)通过化学结构设计的方法,证实了苯乙烯/异戊二烯三嵌段共聚物(SIS)的表面性质(湿润行为)主要是由中间段聚异戊二烯(PI)的结构控制的。SIS表面性质可以通过调节PI段的结构进行调控。 (6)PI段的结构影响SIS中PS在近表面层的富集。PS的富集以及链段的Tg可能会共同影响SIS表面性质以及其随温度的变化。 (7)通过动态接触角和AFM的研究,发现苯乙烯/丁二烯三嵌段共聚物(SBS)比二嵌段共聚物(SB)表面具有更快的环境响应能力。同时SFG在SBS表面检测到聚苯乙烯的信号,而SB则没有。 (8)对含有PS含量不同的SBS和SIS三嵌段共聚物的表面润湿行为的研究结果表明证实了PS链段的含量的增加减弱了SBS以及SIS三嵌段共聚物的表面重构能力。
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