含氟硅两组分聚合物膜的微结构与表面性质研究

摘要

含氟聚硅氧烷（简称氟硅）把氟代烷基作为侧链结合到聚硅氧烷分子中，使之兼具聚硅氧烷的一般特性、氟聚合物的耐油耐溶剂性能。作为共聚组成，氟硅还能有效改善聚合物的物理化学性质尤其是表面润湿性能。然而，目前的研究无法从含氟硅多组分聚合物的组成、链段序列结构等因素出发，为低表面能涂料、低表面能化工新型材料等相关领域的应用提供科学指导。
　　 本文以最常见的氟硅—聚[甲基（3，3，3-三氟丙基）硅氧烷](PMTFPS)与聚苯乙烯(PS)这两种组分的无规共聚型接枝共聚物、嵌段共聚物为研究对象，开展了含氟硅无规共聚物、嵌段共聚物、共混聚合物膜的分子组成、本体微结构、表面微观形貌与表面性质研究，并获得以下研究结果:
　　 一、制备得到无规共聚型PS-g-PMTFPS接枝共聚物，获得其化学组成、本体微结构、表面微观形貌与表面润湿性能之间的构效关系
　　 (1)通过氟硅大分子单体V-PMTFPS与苯乙烯(St)的细乳液聚合，制备得到稳定的PS-g-PMTFPS接枝共聚物乳液。对其聚合反应动力学研究发现:反应温度为70℃，引发剂用量为1wt％，乳化剂用量为1wt％，助乳化剂用量为5wt％，V-PMTFPS用量为10wt％时，其聚合反应速率较快、转化率相对较高。
　　 (2)DSC分析结果表明，不同组成的PS-g-PMTFPS接枝共聚物的玻璃化转变行为有所不同，其中PMTFPS链段的含量会影响它们的玻璃化转变温度;TEM测试结果表明，不同组成的PS-g-PMTFPS接枝共聚物膜的本体存在明显的微相分离现象，且PMTFPS链段的含量会影响它们的微相分离结构。
　　 (3)AFM测试表明，不同组成的PS-g-PMTFPS接枝共聚物膜的表面并没有明显的微相分离结构，且其表面微观形貌并没有随PMTFPS链段含量的变化而有明显变化;接触角分析表明，PS-g-PMTFPS接枝共聚物膜比纯的PS有更好的拒水和耐溶剂性能，且共聚物膜的表面能在24.43-26.34mJ/m2之间。
　　 二、获得了PS与PMTFPS嵌段共聚物膜的化学组成、本体微结构、表面微观形貌与表面润湿性能之间的构效关系
　　 (1)研究表明，PS与PMTFPS嵌段共聚物的组成与结构对嵌段共聚物膜的本体微结构有显著影响，随着PMTFPS链段含量的增加，可呈现层状、PS柱状等微相分离结构;AFM分析表明，由于嵌段共聚物在表面的自组装，嵌段共聚物膜表面可呈现出与本体微相分离结构不同的微观形貌，并赋予膜表面一定的粗糙度。
　　 (2)对于PS与PMTFPS的嵌段共聚物，膜表面的氟原子以及Si-O链段的含量远高于嵌段共聚物的理论平均值。而且当共聚组成中PMTFPS链段的摩尔分数为52.1％时，共聚物膜的表面几乎全部被PMTFPS链段所覆盖。此外，嵌段共聚物膜表面的水接触角均高于102.7°，对甲酰胺的接触角均高于88.2°，表明含氟硅嵌段共聚物具有优良的憎水及耐溶剂性能。
　　 三、获得了PS/PS-b-PMTFPS-b-PS共混聚合物膜的化学组成、本体微结构、表面微观形貌与表面润湿性能之间的构效关系
　　 (1)PS/PS-b-PMTFPS-b-PS共混聚合物本体未呈现有序的微相分离结构，这可能是由于PS和PMTFPS具有相近的溶度参数的缘故;随着PS-b-PMTFPS-b-PS含量的变化，共混聚合物膜表面微观形貌会发生显著变化，且嵌段共聚物含量较高时，嵌段共聚物会在聚合物膜表面形成胶束而出现孔洞结构。
　　 (2)XPS分析结果显示，由于PMTFPS链段的表面富集，只要加入0.58wt％的PS-b-PMTFPS-b-PS三嵌段共聚物，共混聚合物膜表面38(A)的深度就几乎全部被PMTFPS链段所覆盖。
　　 (3)当PMTFPS链段含量为1.96mol％时，共混聚合物膜对水的接触角可达104°，这接近于纯的PMTFPS的水接触角，但随着PMTFPS含量的进一步增加，共混物膜的水接触角提高并不明显。
　　 (4)当PMTFPS链段含量为0.58wt％和1.16wt％，聚合物膜的表面能只比纯的PS膜降低很少;即使PMTFPS链段含量达29.1wt％，聚合物膜的表面能仍高于纯的PMTFPS的表面能。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

第二章 文献综述

2．1 氟硅概述

2．2 氟硅及含氟硅共聚物的合成

2．2．1 氟硅化合物的合成

2．2．2 氟硅聚合物的合成

2．2．3 含氟硅共聚物的合成

2．2．4 共缩聚聚合

2．2．5 硅氢加成反应

2．3 含氟硅聚合物的结构与性能

2．3．1 含氟硅聚合物的微结构

2．3．2 含氟硅聚合物的表面性能

2．4 本文的主要任务

第三章 含氟硅无规共聚物膜的制备及其结构性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原料及其处理方法

3．2．2 实验装置

3．2．3 含氟硅无规共聚物的合成

3．2．4 聚合物膜的制备

3．2．5 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 含氟硅无规共聚物的合成与表征

3．3．2 含氟硅无规共聚物乳胶粒的形貌

3．3．3 含氟硅无规共聚物的玻璃化转变行为

3．3．4 含氟硅无规共聚物膜的本体微结构

3．3．5 含氟硅无规共聚物膜的微结构

3．3．6 含氟硅无规共聚物膜的表面性质

3．4 本章小结

第四章 含氟硅嵌段共聚物膜的制备及其结构性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料

4．2．2 聚合物膜的制备

4．2．3 表征方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 含氟硅嵌段共聚物膜的本体微结构

4．3．2 含氟硅嵌段共聚物膜的表面微结构

4．3．3 含氟硅嵌段共聚物膜的表面化学组成

4．3．4 含氟硅嵌段共聚物膜的表面性质

4．4 本章小结

第五章 含氟硅共混聚合物膜的制备及其结构性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验材料

5．2．2 聚合物膜的制备

5．2．3 表征方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 含氟硅共混聚合物膜的本体微结构

5．3．2 含氟硅共混聚合物膜的表面微结构

5．3．3 含氟硅共混聚合物膜的表面化学组成

5．3．4 含氟硅共混聚合物膜的表面性质

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

硕士期间的学术论文与专利

致谢