聚合物基软核硬壳型复合微球的表面起皱研究

如何有效调控和充分利用多组分多相体系中的界面应力问题来实现材料的特定功能化是现代复合材料学面临的一大难题。在本项目中，拟精心设计和可控构筑新颖的、具有理想结构组成的、由单分散聚合物微球为"软核"和层层自组装技术沉积的聚合物基组装膜为"硬壳"所构成的，核壳结构型软硬复合微球新体系；着力考察与"软核""硬壳"物性差异相匹配的外界刺激，对核壳界面应力松弛引起的球面起皱的精细调控；揭示闭合球面体系中界面应力形成与松弛方面的特殊作用机制；探索所得的具有高比表面的单分散起皱微球在颗粒沉积吸附、薄膜光学性质调制和作为空气动力学研究模型等方面的潜在应用。该研究有助于深入理解复合体系中普适性的界面应力问题，在利用界面应力松弛机制来获得材料的表面可控微结构化等功能化，以及在解决界面应力问题相关的如表面起皱和开裂等材料问题来进一步提高材料性能和使用寿命而进行的材料设计优化等方面都具有重要的参考价值和指导意义。

作为一种常见的机械失稳的自然现象，表面起皱近年来因其独特的优势在物性表征、表面图案化和柔性器件等方面引起了人们极大的研究兴趣。虽有大量的理论研究已在非平面膜/基双层系统展开，但实验方面的研究进展仍不大。其主要的挑战性问题是如何构筑合适的非平面膜/基双层系统，并选用匹配的外界刺激来诱导曲面起皱的发生。. 本项目主要涉及基于聚二甲硅氧烷（PDMS）弹性体微球的软核硬壳型微球复合体系的可控构筑与球面起皱行为的研究。首先，探索出以聚乙烯醇为稳定剂，先低温后高温的双阶段加热交联的溶液相合成法，实现了高质量、不同交联度和模量的PDMS弹性体微球的高效制备；以此为基底，选用层层自组装、表面接支聚合、混酸氧化、氧等离子体处理、和金属蒸镀等多种成膜技术获得了聚合物、无机氧化物和金属等组成可控的壳层和对应的软核硬壳型复合微球体系；系统考察了各实验参数，特别是微球尺寸和模量，壳层厚度、以及对应的基底曲率和过应力大小，对匹配的外界刺激引发的球面起皱行为（如皱纹形貌和周期）的影响，由此深入揭示了其中涉及的反应机理和球面起皱机制。其中，利用混酸氧化法，我们首次实现了微球表面起皱的，简单、高效率、低成本、大规模可控制备。该应力松弛机理已进一步成功拓展到其他聚合物（如聚苯乙烯）微球的软核硬壳型复合微球体系，通过曲面应力工程的精细调控，实现了其表面起皱、规则多边形脱层突起和裂纹等应力松弛性表面微结构的可控制备。所得的表面精细微结构化微球有望在表面润湿性调控、微纳构筑和传感器等相关领域取得广泛应用。