基于呼吸图法可控制备聚合物微结构薄膜

发布时间：2020-08-11 15:37

【摘要】：微结构作为一种新型的功能化材料,在电子、光学、生物以及分离等领域日益发挥重要的作用。但是传统制备微结构的方法需要昂贵的设备和苛刻的反应条件,并且无法大规模生产。为解决这些问题,本文基于一种简单的自组装方法——呼吸图法,制备微结构薄膜。通过调控实验条件,对微结构的尺寸、形貌以及排列进行调控,制备出形貌、尺寸可调控的微结构薄膜。本文采用大分子聚乙二醇(PEG)、聚苯乙烯(PS)为原料,以自组装的水滴为模板制备出微结构薄膜。探讨了不同实验条件对于微结构的形貌和尺寸的影响,论文具体将从以下两个方面进行讨论:采用传统呼吸图法制备微结构薄膜,并且通过改变有机溶剂的种类,聚合物的浓度,基底的种类以及是否加入小分子表面活性剂,制备出具有不同形貌和尺寸的聚合物微结构薄膜,并探究各种因素对微结构的形貌和尺寸的影响机理。不同的实验条件可以影响呼吸图法过程中液滴的成核和生长过程,从而最终影响微结构的形貌,尺寸及排列。当有机溶剂为四氯化碳,聚合物的浓度为8%,基底为硅片以及有小分子表面活性剂存在时,微结构的形貌和尺寸最佳。最后,借助有限元分析方法,模拟呼吸图法中的PEG的浓度分布。结果表明,在传统呼吸图法中,PEG在水/油界面富集,无法填充整个液滴,因此以传统呼吸图法无法一步制备出微透镜结构。通过引入预相分离过程,改变PEG在溶液中的初始分布,对传统呼吸图法进行改进,从而以一步法制备出具有微透镜结构的聚合物微结构薄膜。通过分析预相分离过程、预相分离时间、PEG的分子量、小分子量PEG与大分子量PEG的配比以及PS的分子量对微结构的形貌及尺寸的影响过程,来解释微透镜结构的形成机理。这些因素可以影响PEG在溶液中的预分布以及PEG的移动能力,从而影响溶液各部分稳定液滴的能力,最终影响微结构的形貌、尺寸和排列。结果表明,当预相分离时间为10 min时,PEG200与PEG2000的比例为3:7,PS的分子量为18000时,可以以呼吸图法一步制备出具有微透镜结构的聚合物薄膜。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2
【图文】：

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第 1 章绪论究证明，随着溶质分子量的增加，微结构孔的直径越来越大。另外，操作吸图法形成的微结构的形貌。通常认为，在动态呼吸图法过程中，极性聚阻止溶液表面的水滴之间的融合，因此可以被用来进行呼吸图法，制备微非极性线性聚合物不能阻止液滴之间的融合，因而一般不能用来制备有序1]。所以，在动态呼吸图法中，线性 PS 在极其特殊的条件下才可以被用来，并且极易受分子量和溶剂的影响[22]；然而在静态呼吸图法过程中，即团的线性 PS 可以用来制备形貌较好的多孔结构，并且所制备的结构受温以及分子量的影响较小[23]。因此，Francois 和 Yunus[24,25]提出需要用系统的研究手段来确定呼吸图法微结构的形成机理。

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当压力差大于聚合物薄层的临界压力时，液滴会穿过聚合物薄层，从而形成穿孔结构，如图1.2 所示。所以，可以在一些界面张力较大的溶液体系中（如甘油或甲酸等溶液体系）

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图 1.3 在非水气氛中制备的微结构薄膜截面的 SEM 图，a 和 b 分别为在甲醇和乙醇蒸气中制备的微结构的图片[30]1.3.3 非平面基底上的呼吸图法微结构薄膜非平面结构的图案化是刻蚀技术的一大挑战。最近的许多研究表明呼吸图技术是在非平面基底上构建规整图案化结构的简单而有效的方法。Qiao 等[31]用星形交联共聚物（CSPs），以呼吸图法成功地在粘附于透射电镜铜栅上的聚二甲基硅氧烷（PDMS）上制备出规则的图案化结构。研究表明，只有玻璃化转变温度（Tg）在 48℃以下的 CSPs材料才能形成规则蜂窝状多孔结构，而 Tg大于 48℃的 CSPs 则形成裂纹薄膜而无法形成有序多孔薄膜。这是因为只有具有较低 Tg的聚合物才能有效避免预应力对于薄膜形貌的影响。最近，他们通过研究，进一步发现 CSPs 的弹性模量对于薄膜的形貌具有很大的影响，聚合物的弹性模量可以决定在呼吸图法过程中非平面基底上的微结构薄膜是否会出现裂纹[32]。

【参考文献】