受限条件下高分子薄膜不稳定性的实验研究

摘要

起皱不稳定现象的理论和实验研究主要使用聚合物多层体系，通过压缩柔性材料上的刚性薄膜层，薄膜表面产生应变而形成正弦波状图案（皱纹）。研究发现热膨胀、渗透压或机械应力引起的压缩应力可以驱动薄膜表面波状图案的形成，尽管波状起伏图案具有重要的技术应用，但人们尚未对图案的形成动力学进行深入的研究。我们主要研究纳米粒子掺杂的高分子薄膜表面形貌在热膨胀条件下产生波状起伏的变化规律，即薄膜表面波状起伏的形成动力学过程。随着热膨胀温度的升高，由于聚合物和纳米粒子热膨胀系数的不同，固定的纳米粒子对薄膜产生水平的压缩应力。当温度升高到聚合物玻璃化转变温度以上，由于应力松弛，我们观察到高分子薄膜表面产生波状起伏，同时热膨胀应力也影响波状起伏的波长和振幅。本论文主要研究的成果有三个方面：
　　（1）制备了受限条件下不同分子量的聚苯乙烯薄膜，观察在热膨胀条件下，其表面形貌的变化规律。实验结果表明，嵌入纳米粒子的聚合物薄膜表面在热膨胀条件下产生波浪状起伏，且这种表面波状起伏的波长和振幅随时间的变化规律和聚合物旋节相分离动力学过程相似；随着分子量的增加，薄膜表面形貌形成过程中早期到中期，中期到后期的转变时间增加。
　　（2）在热膨胀条件下，对比溶剂处理前后聚甲基丙烯酸甲酯薄膜表面形貌演化规律。实验结果表明，溶剂化后薄膜表面波状起伏振幅有明显增加；早期和中期的波长增加，中期到后期的转化时间缩短。
　　（3）通过表征聚合物薄膜表面波状起伏规律和时间的相关性发现，在玻璃化转变温度以上的一定热膨胀温度范围内，聚合物薄膜表面波状起伏的波长和振幅随着热膨胀温度的增加而增加。

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第一章 文献综述

1.1 表面起皱

1.1.1 表面起皱现象的产生

1.1.2 表面起皱的机理

1.1.3 表面起皱的应用

1.2 残余应力

1.2.1 薄膜中残余应力的起源

1.2.2 薄膜中应力的研究进展

1.2.3 薄膜中残余应力的测量

第二章 本论文的研究内容和意义

第三章 实验部分

3.1 试剂，原料和测试仪器

3.2 受限聚合物纳米薄膜的制备

3.2.1 二氧化硅纳米小球在基底的沉积

3.2.2 亲水性硅片的制备

3.2.3 聚合物薄膜的制备

第四章 受限条件下聚苯乙烯表面不稳定性表征

4.1 引言

4.2 结果与讨论

4.2.1 二氧化硅纳米粒子分散性及硅片亲水性表征

4.2.2 聚苯乙烯薄膜波状起伏现象的产生

4.2.3 聚苯乙烯薄膜表面波状起伏与膜厚的相关性

4.2.4 聚苯乙烯（Mw=50.8 kg/mol）薄膜表面波状起伏的演化

4.2.5 聚苯乙烯（Mw=900 kg/mol）薄膜表面波状起伏的演化

4.2.6 聚苯乙烯（Mw=2000 kg/mol）薄膜表面波状起伏的演化

4.2.7 三种分子量聚苯乙烯薄膜表面波状起伏的演化与温度相关性

4.3 本章小结

第五章 受限条件下聚甲基丙烯酸甲酯表面不稳定性

5.1 引言

5.2 结果与讨论

5.2.1 聚甲基丙烯酸甲酯表面波状起伏的产生

5.2.2 聚甲基丙烯酸甲酯薄膜表面起伏的演化

5.2.3 聚甲基丙烯酸甲酯薄膜溶剂处理后表面起伏的演化

5.2.4 聚甲基丙烯酸甲酯表面起伏的演化和溶剂处理时间的相关性

5.2.5 不同情况下聚合物薄膜表面波状起伏演化与温度的相关性

5.3 本章小结

第六章 全文总结

6.1 本论文的主要结果

6.2 创新点

6.3 问题与展望

参考文献

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致谢