基底性质对聚合物薄膜表面结构形成及其性能的影响研究

摘要

随着纳米技术的发展，聚合物薄膜的物理化学性质越来越受到关注。基底支撑的聚合物薄膜的分子链的结构及其动态行为受基底/聚合物界面相互作用的影响。聚合物/基底相界面的存在会使界面处高分子链的密度、缠结程度、有序性发生变化，因而呈现出与本体分子链不一致的运动行为。研究聚合物/基底界面相互作用对薄膜结构形成以及薄膜分子运动的影响，对于基底支撑高分子薄膜的实际应用以及探明纳米尺度高分子链的分子运动的机制均具有重要的意义。
　　本文通过对基底进行改性，采用动态接触角测试并结合和频振动光谱(SFG)、椭圆偏振仪、原子力显微镜(AFM)等系统研究了聚醋酸乙烯酯(PVAc)薄膜与基底间的相互作用，以及界面相互作用对聚苯乙烯(PS)薄膜玻璃化转变温度和聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯(SBS)三嵌段共聚物表面结构形成的影响。得到以下结论:
　　(1)通过表面动态润湿行为研究了PVAc薄膜与基底之间的相互作用。结果发现，当薄膜厚度较小时，薄膜表面动态接触角测试过程中跳跃角随着基底表面羟基含量的增加而减小。在6nm的PVAc超薄膜表面，跳跃角从100％羟基含量基底上的0增加到29％羟基含量基底上的8。这是由于基底表面羟基含量越大，PVAc超薄膜与基底间的氢键作用越强，分子链受到的束缚作用越大，使得薄膜变硬。改变PVAc薄膜的厚度，发现随着基底表面羟基含量的增加，基底对薄膜跳跃角的影响临界厚度逐渐增大。这表明基底表面羟基含量越多，界面相互作用对薄膜性能的影响深度越大。
　　(2)研究了界面相互作用对PS薄膜玻璃化转变温度的影响。结果发现在经聚合物XST-R改性后的基底上，由于PS薄膜分子链向基底上发生了渗透，使得PS薄膜的Tg随着薄膜厚度降低而升高。当PS厚度较小时，薄膜与基底间的界面能越大，薄膜Tg越大。薄膜Tg不再随厚度发生变化所对应的临界厚度随着界面能的增大而增大。
　　(3)研究了界面相互作用对SBS三嵌段共聚物表面结构形成的影响。结果发现，对于SBS旋涂膜，当SBS薄膜厚度为34nm时，经热处理后，在对PS具有亲和性的基底XST-H和XST-Me上，薄膜发生了去润湿现象，表面出现了海岛结构，其中岛状结构发生了微相分离。当厚度增加到83nm时，去润湿现象消失。而在对PB具有优先亲和性的XST-tBu基底上，SBS薄膜的表面形成了具有双层的微观结构，其中最表层是约为2.5nm左右的点状结构，经判定为SBS中的PB组分，紧接着第二层为典型的指纹状相分离结构。对于SBS浇铸膜，当溶液浓度较稀时，SBS在基底XST-H上形成的薄膜具有海岛状结构，其中岛状结构发生了微相分离，而海状结构则处于相对无序的状态。在基底XST-Me和XST-tBu上，由于它们的表面能较低，SBS稀溶液无法在该两个基底上形成完整的薄膜，只有增加溶液的浓度才能得到完整的薄膜。