含甲壳型液晶高分子的嵌段共聚物的自组装研究——从本体到薄膜

来源 :北京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lm20090910
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本研究主要围绕以具有不同液晶相行为的甲壳型液晶高分子(MJLCPs)为刚性链和亲二氧化碳的聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性链构建的多个系列刚柔嵌段共聚物的本体自组装及薄膜自组装行为的研究而展开。通过温度改变、甲壳型液晶高分子链段的相态转变以及以绿色环保溶剂超临界二氧化碳(scCO2)作为PDMS的选择性溶剂等方法诱导嵌段共聚物的微相分离结构发生多种有序-有序转变。在本体自组装结构研究的基础上,对含MJLCPs的刚柔嵌段共聚物及其共混体系的薄膜自组装行为进行了探索。从而为嵌段共聚物的自组装纳米结构以及薄膜自组装形貌的调控提供了新的方法及科学依据。本研究主要内容包括:  ⑴根据甲壳型液晶高分子-聚[乙烯基对苯二甲酸二(对甲氧基苯酚)酯](PMPCS)的液晶性对分子量的依赖性,构建了一系列含低分子量到高分子量PMPCS的刚柔嵌段共聚物PDMS-b-PMPCS;研究了其自组装结构随着退火温度变化及PMPCS链段相态转变的变化,得到了丰富的自组装结构及有序-有序结构转变。主要研究方法包括小角X射线散射(SAXS)、一维广角X射线散射(1DWAXS)和透射电子显微镜(TEM)实验。当PMPCS的聚合度(NPMPCS)从11增加到29,体积分数(fPMPCS)从43%增加到67%,PMPCS链段一直处于无定形态,嵌段共聚物自组装得到了层状结构(LAM)、双连续相结构(GYR)、GYR到Fddd结构的转变、六方柱结构(HEX)到体心立方结构(BCC)的转变。当NpMPCS为44,fPMPCs为75%,在较低温度退火后PMPCS处于无定形态,嵌段共聚物自组装形成HEX结构;在较高温度退火后PMPCS发育出液晶相,嵌段共聚物自组装结构转变成LAM结构。当fPMPcs增大到82%以上时,由于组成比例的不对称性,嵌段共聚物在PMPCS处于液晶态时又自组装形成HEX结构。  ⑵利用绿色环保溶剂scCO2作为PDMS的选择性溶剂,对fPMPCs较高的PDMS-b-PMPCS嵌段共聚物的自组装结构进行了调控。通过SAXS实验证明具有稳定HEX结构但组成比例比较接近LAM-HEX相边界的嵌段共聚物在scCO2处理后发生了从HEX结构向LAM结构的转变。通过对有效相互作用参数的估算以及scCO2对PDMS的选择性溶胀的分析推出了其有序-有序结构转变的机理。而其他组成离相边界较远的嵌段共聚物在scCO2处理后仅发生周期尺寸的增大。  ⑶利用聚[乙烯基对苯二甲酸二(对丁氧基苯酚)酯](PBPCS)甲壳型液晶高分子的非寻常液晶相行为,构建了具有热可逆有序-有序结构转变的嵌段共聚物PDMS-b-PBPCS。通过SAXS、1D WAXS和TEM研究了,随着温度的变化,PBPCS链段液晶相态的变化和嵌段共聚物自组装结构的变化。fPBPCS为77%和82%的嵌段共聚物中,PBPCS的分子量较低且在整个温度区间都处于各向同性态,嵌段共聚物在实验温度范围之内形成了稳定的BCC结构;而fPBPCS为87%和90%的嵌段共聚物伴随着PBPCS在各向同性态与液晶态之间的可逆转变,其自组装结构在BCC和HEX结构之间可逆地转变。  ⑷构建了结构和组成明确的由PDMS、聚苯乙烯(PS)和PMPCS组成的ABC型液晶三嵌段共聚物PDMS-b-PS-b-PMPCS,利用PMPCS从无定形态到液晶相的转变诱导三嵌段共聚物微相分离形成的复合纳米结构发生有序-有序转变。三嵌段共聚物中PDMS、PS和PMPCS链段的聚合度分别为58、167和110,相应的体积分数分别为8%、29%和63%。通过SAXS、1D WAXS和TEM实验研究证明在PMPCS链段的液晶发育温度之下退火后,嵌段共聚物微相分离形成核壳六方柱状结构(core-shell HEX);但在PMPCS的液晶相发育温度之上退火后,嵌段共聚物的自组装结构转变成三相四层(three-phase four-layer LAM)的层状结构。  ⑸利用AB/AC嵌段共聚物共混体系的宏观相分离和微相分离的共同发生得到了具有多级有序微观形貌的嵌段共聚物薄膜。首先研究了具有LAM结构和HEX结构的刚柔嵌段共聚物PDMS-b-PMPCS在低表面能的纯碳膜表面上形成的薄膜的自组装形貌,通过膜厚以及退火条件的控制得到了自组装结构基本垂直于基底取向的形貌。对比研究了具有HEX结构的由PDMS和聚合甲基丙烯酸甲酯构成的柔柔嵌段共聚物(PDMS-b-PMMA)在相同条件下形成的薄膜的自组装形貌。再将PDMS-b-PMPCS与PDMS-b-PMMA共混,研究了不对称共混物的薄膜自组装行为,得到了宏观相分离和微相分离同时存在的多级自组装形貌。
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