基于嵌段共聚物自組裝的有序納米結(jié)構(gòu),在納米光刻、水分離、光子晶體等納米模板領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,如何有效的獲得宏觀范圍內(nèi)垂直取向結(jié)構(gòu)是嵌段共聚物應(yīng)用于工業(yè)界的一個關(guān)鍵問題,然而嵌段共聚物在界面自組裝時通常會形成不利于工業(yè)應(yīng)用的平行取向。目前,人們通常采用與嵌段共聚物有相同單體組成的無規(guī)共聚物刷調(diào)控嵌段共聚物的納米結(jié)構(gòu)取向,該種方法需要基底具備氧化層,此外調(diào)控不同體系的嵌段共聚物時需要合成相應(yīng)的無規(guī)共聚物,為嵌段共聚物在工業(yè)上的應(yīng)用帶來了不便,因此發(fā)展一種高效的調(diào)控手段對嵌段共聚物的實(shí)際應(yīng)用有著重大的意義。在本文中,構(gòu)建了一種新的調(diào)控方法:通過層層自組裝法制備聚丙烯胺鹽酸鹽(PAH)和聚丙烯酸(PAA)聚電解質(zhì)多層膜誘導(dǎo)嵌段共聚物自組裝納米結(jié)構(gòu)垂直取向。通過接觸角儀和原子力顯微鏡(AFM)表征了多層膜的表面能和表面微觀結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過改變PAH和PAA濃度可以有效的調(diào)控PAH/PAA多層膜的表面能,此外PAH/PAA多層膜的表面微觀結(jié)構(gòu)可以通過自組裝濃度、多層膜的層數(shù)和退火工藝調(diào)控。通過AFM的“指紋狀”形貌和掠入射X射線小角散射(GISAXS)的面外散射峰證實(shí)了PAH/PAA多層膜可以誘導(dǎo)嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚甲基丙烯酸甲酯(PS-b-PMMA)自組裝結(jié)構(gòu)垂直取向。用Scherrer方程分析GISAXS散射峰峰得到了PS-b-PMMA在不同濃度配比的聚電解質(zhì)多層膜上的自組裝結(jié)構(gòu)有序度,確定了PAH/PAA多層膜在調(diào)控PS-b-PMMA自組裝結(jié)構(gòu)取向時的最優(yōu)工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,本文通過GISAXS原位實(shí)驗(yàn)研究了PS-b-PMMA在熱退火過程中的相行為,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在成膜的初期由于溶劑的揮發(fā)薄膜形成了非平衡狀態(tài)的垂直取向,隨著溫度升高溶劑的揮發(fā)和分子鏈的運(yùn)動導(dǎo)致垂直取向消失;在降溫階段由于改性層的誘導(dǎo),PS-b-PMMA開始逐漸出現(xiàn)垂直取向信號,并且隨著溫度的降低垂直取向信號越來越強(qiáng),這表明降溫過程才是熱誘導(dǎo)調(diào)控PS-b-PMMA結(jié)構(gòu)取向的關(guān)鍵。本論文的主要工作是利用AFM和GISAXS相結(jié)合的表征手段研究了PAH/PAA多層膜對PS-b-PMMA自組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用,對于推動嵌段共聚物在工業(yè)上的應(yīng)用有一定的積極意義。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.1;TQ317
【部分圖文】：

至少在一個維度內(nèi)具有介觀尺度(1～100nm)或者以它們?yōu)榛締卧獦?gòu)成的材料，納米料按照在納米范圍內(nèi)維度的不同可分為：納米點(diǎn)(納米粉末和量子點(diǎn)等)、納米線(金屬米絲和碳納米管等)和納米片(金納米薄膜和量子阱等)[1]。由于尺度上的微細(xì)化，納米料具有宏觀材料不具備的效應(yīng)：例如量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量隧道效應(yīng)和介電限域效應(yīng)等[2]。同時，納米材料的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)性能也普通材料大不相同，例如對于完全致密的納米 Cu、Ni 和 Pd 等 fcc 金屬的屈服強(qiáng)度比通多晶高得多[3, 4]；W/Al2O3納米多層結(jié)構(gòu)隨著界面密度的增加提供超低的熱導(dǎo)率而作很好的熱障材料[5]；Au 納米膜在 SiO2上表現(xiàn)出不同的顏色等[6]，使其在化工、生物和空航天等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。自 Gleiter 制備納米金屬粉末并壓制成塊體后[7]，米材料的制備方法得到了極大的發(fā)展，如圖 1.1 所示，通�？煞譃槲锢矸ê突瘜W(xué)法，者按照制備物質(zhì)的狀態(tài)分為氣相法、液相法和固相法。不同的制備方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，到的納米材料性能和結(jié)構(gòu)也不盡相同，能否做到精確控制納米材料的結(jié)構(gòu)是評價這種法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。在納米材料的制備方法中，自組裝技術(shù)通過“自下而上”的方式既可以到具有高度有序的復(fù)雜結(jié)構(gòu)納米材料，又能克服其他方法對于尺寸的限制，因此自組一直是納米材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

自組裝技術(shù)得到了快速發(fā)展，科學(xué)家們正在積極的將自組裝技術(shù)應(yīng)用于生，光電材料、化學(xué)傳感器和微電子等領(lǐng)域[11]。嵌段共聚物自組裝 嵌段共聚物概述嵌段共聚物是指兩種或兩種以上的大分子均聚物通過化學(xué)鍵連接在一起的物。由于不同嵌段組分物理化學(xué)性質(zhì)不同，所以在化學(xué)上存在不相容性，相向于靠攏，不同的嵌段趨向于分離，但是由于兩種均聚物之間化學(xué)鍵的存在離只能發(fā)生在5～100nm范圍內(nèi)，因此被稱為“微相分離”(microphaseseparatio相結(jié)構(gòu)微區(qū)在經(jīng)過熱退火、電場、力場和溶劑誘導(dǎo)等處理后，能夠排列成非態(tài)結(jié)構(gòu)，這一特點(diǎn)使得嵌段共聚物在光子晶體[13, 14]、水分離薄膜[15, 16]和下一17, 18]等涉及到納米模板的領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。根據(jù)嵌段共聚物組成成少，可以將嵌段共聚物分為二嵌段、三嵌段和多嵌段共聚物；根據(jù)分子構(gòu)象以分為環(huán)狀、星型狀和雜臂狀等[19]。如圖 1.2 是幾種常見構(gòu)象的嵌段共聚物模

第 1 章 緒論變化學(xué)聚合條件來調(diào)節(jié)；χ 對焓的影響較大，和單體的種類與溫度有關(guān)，χ 越小表示嵌段之間不相容性越小[21]。嵌段共聚物微相分離的過程實(shí)際上是熵和焓競爭的過程，一方面共聚物的分子鏈趨向于形成無規(guī)線團(tuán)以增加熵，另一方面為了使體系的能量最低，分子鏈趨于形成舒展的構(gòu)象以減少嵌段之間的不利接觸[22]，這種無序到有序的競爭關(guān)系最后會達(dá)到平衡。圖 1.3 是科學(xué)家們基于高斯鏈模型的自洽場方法模擬得到的理論相圖和實(shí)驗(yàn)相圖。從圖中可以看到存在一個相分離的臨界點(diǎn) χN=10.5，χN≥10.5 附近的區(qū)域被稱為弱分離(weak segregation)區(qū)域，分離相界面平緩；χN>>10.5 的區(qū)域叫做強(qiáng)分離(strongsegregation)區(qū)域，該區(qū)域分離相界面陡峭，而在低于 10.5 的區(qū)域則為無序狀態(tài)，體系無法發(fā)生相分離，分子鏈表現(xiàn)為無規(guī)線團(tuán)。
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本文編號：2861380