纳米粒子填充动力学不对称的高分子共混物薄膜的结构及稳定性研究

The structure evolutions of polymer blend thin films with dynamic asymmetry will be investigated mainly by optical microscopy(OM), atomic force microscopy(AFM) and neutron reflectivity(NR) measurements. Different structures such as droplet-matrix, co-continuous or network structures can be induced by changing the film thickness, composition ratio and temperature, whose mechanism will be explained by the coupling of phase separation and dewetting. According to the structure characteristic, the experimental condition for the occurrence of viscoelastic phase separation in polymer blend thin films will be determined. Moreover, the blend thin film structure will be regulated by nanoparticles in consideration of the relative value of diameter of nanoparticles and film thickness, the surface property and loading of nanoparticles. The film structure evolution and the dispersion of nanoparticles will be investigated by OM/AFM/TEM(transmission electron microscopy). By analyzing the effect of nanoparticles on phase separation, dewetting and the kinetics of film structure evolution, the contribution of nanoparticles to the structure evolution in these ternary blend thin films with dynamic asymmetry will be acquired, which will provide a sound theoretical basis for the full utilization of nanoparticles to realize the structure manipulation of multicomponent polymer thin films.

本项目以具有动力学不对称性的高分子共混物薄膜为基本研究对象，拟采用光学显微镜、原子显微镜、中子反射等手段，研究不同膜厚、组成比、温度等实验条件下的薄膜结构演变。通过分析薄膜结构特征，确定粘弹相分离在薄膜中的发生条件，并从相分离与去润湿二者耦合的角度对海-岛结构、共连续结构及网络结构等不同结构的控制机理进行阐释。在此基础上引入纳米粒子，通过改变粒径与膜厚的相对大小、粒子表面性质及含量等因素来对三元共混物薄膜结构进行调控。结合光学显微镜、原子力显微镜及透射电镜等实验手段研究薄膜结构演变过程及粒子分布情况，通过分析粒子对薄膜相分离、去润湿及结构演变动力学的影响，获得粒子在动力学不对称的三元共混物薄膜结构演变过程中的贡献，为全面利用粒子来实现多组分高分子薄膜材料的结构调控提供坚实的理论依据。

动力学不对称性在共混物的结构调控中有着极其重要的作用。本项目主要以具有明显动力学差异的 PS/PVME(聚苯乙烯/聚乙烯基甲基醚)以及沥青/SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)为研究对象，系统考察了温度、膜厚、分子量、纳米粒子等因素对该体系结构演变的影响，探索了以粘弹相分离为出发点的聚合物共混物的结构调控机理。.研究表明，动力学不对称的PS/PVME的相分离类型及形态演变对温度有一定的依赖性，温度过低会让PS网络结构发生脆性断裂，发生破裂相分离，而温度过高将加速PS相的松弛过程，即还未来得及收缩成网络相就已经快速回缩成界面自由能最低的球形。其次，薄膜厚度对PS/PVME体系的结构演变也又一定的影响，厚度较大时结构控制机理以粘弹相分离为主，而厚度较小时则以去润湿为主，但二者都呈现出成孔洞长大-海岛相的结构特征。此外，在不同分子量的PS与PVME共混的体系中，相分离与去润湿发生的先后顺序明显不同。这一结果与两种聚合物的粘弹性差异有关，它将影响中间共混层与底层PVME之间的拖曳力，而该拖曳力与底层PVME-基板润湿作用的相对大小将直接影响相分离与去润湿的相对顺序。.而对于同样具有明显动力学差异的沥青/SBS共混体系，SBS含量及纳米SiO2粒子表面性质及其含量对改性沥青的结构及性能都有很大的影响。SBS含量逐渐增加可导致相分离结构从海岛结构逐步过度为粘弹网络结构，而疏水性SiO2粒子的加入对于提高改性沥青的抗车辙能力及热稳定性能比亲水性SiO2更为明显。.本项目整体进展顺利，获得了具有动力学不对称性的共混物的结构及实验条件的对应关系及相应机理，相应研究成果有望为研究成果可为具有预期微观结构及宏观性能的新型复合材料制备提供可靠的理论指导和实验依据。