界面相互作用对聚合物薄膜形态结构的影响

界面作为一个超薄的区域，与本体相比较有着截然不同的性质。界面问题是非常重要的也是普遍存在的，同时，界面在多种工业技术领域中扮演着重要角色，例如共混，催化，微电子，润滑等。此外，许多维持生命的生化反应也是在界面上进行的。尽管一直以来，人们对界面的重要性得到了充分的认识，但是在原子尺度上对界面的研究长期以来进展缓慢。通常的研究是采用制备超薄膜的方法，来对表面和界面的结构和形态等展开研究。在本项目中中，我们以厚度为5-20nm的聚合物单晶做为研究对象，由于聚合物单晶具有规整的尺寸，均一的化学与物理性质，将极大程度的简化研究体系，排除界面相互作用以外的其他因素的影响，从而有助于深入地认识界面相互作用与对聚合物超薄膜形态，结构与性能的影响机理。当对于这一特殊的物质区域有了更深入的了解后，就可以利用界面的特殊性质来探索新的科学问题并为应用提供技术指导。

界面作为一个超薄的区域，与本体相比较有着截然不同的性质。本项目研究了界面对熔融、重结晶行为、熔点以及片晶取向等行为的影响，取得了以下成果。.首先，以PEO单晶为模型体系研究了在不同温度和不同性质基底上，PEO晶体的片晶取向行为。研究发现，高温时倾向于生长flat-on片晶，而低温时生长edge-on片晶。在几种不同表面能的基底上flat-on/edge-on转变的温度是不同的，这与界面能有关。界面能越大，很小的过冷度就能引起片晶取向由flat-on向edge-on转变。采用初级成核理论通过理论计算也验证了实验结果的合理性，证明片晶取向的转变点为当基底的表面能等于PEO熔体表面能时的温度。.界面相互作用影响片晶的取向，到底能在多大的尺度上能对上层熔体的重结晶行为施加影响？在此基础上，以螺旋位错的PEO单晶为模型，研究了薄膜厚度对片晶取向行为的影响。研究发现，在重结晶温度较低时，转变厚度降低，重结晶温度升高到一定值后，基底能影响的厚度恒定。所以界面相互作用能施加影响的厚度与重结晶的温度有关，在20oC重结晶时，基底能影响的厚度为15-20nm；在25oC重结晶时，基底能影响的厚度为25-30nm；在30oC以上重结晶时，基底能影响的厚度稳定为30-40nm。.其次，以PEO单晶为模型，研究了界面相互作用对单晶熔融行为的影响。研究发现PEO单晶在PAA、PVA和无定形PEO三种不同界面能的表面，其熔融铺展行为不同，在PAA和无定形PEO表面浸润，而在PVA表面不浸润；熔点也有差别，在PAA基底上的熔点最低为51oC，在PVA基底上的熔点最高为61oC。通过修饰的探针与基底的界面相互作用力的测量发现，不同基底的界面相互作用能不同，PAA基底与探针的作用力最大，而PVA基底与探针的作用力最小。我们通过模型建立起了铺展因子S和界面相互作用力的关系，能够通过界面相互作用力预先判断熔体在一个基底上是否浸润。同时，在Thomas－Gibbs公式中引入界面能的作用，解释了不同基底上单晶熔点的变化规律。.第三，研究了片晶折叠表面的成核机制和螺旋位错的形成过程。建立起了热力学模型阐述片晶中缺陷数量和片晶形貌与结晶温度间的关系。折叠表面的成核机制不同于传统的片晶生长面上的二次成核和结晶生长，折叠表面的成核和晶体生长是由于在折叠表面和晶体内部缺陷诱导成核所导致的。从统计得出体系中微观缺