聚苯乙烯-聚丁二烯嵌段共聚物反转相行为的研究

本论文以聚苯乙烯（PS）一聚丁二烯（PB）三嵌段和二嵌段共聚物体系为研究对象，利用聚合物的软有序化，控制聚合物分子链的取向和聚集条件，系统地考察了嵌段共聚物在由溶液成膜的过程中动力学效应和墒效应对其相结构和相转变行为的影响。并探讨了不同相结构和其力学性能之间的构效关系。设计了聚苯乙烯（PS）一聚丁二烯（PB）（PS≈30wt％）／非选择性溶剂体系，通过改变溶剂的挥发速率，控制了嵌段共聚物薄膜相结构形成的动力学过程。在快速挥发的条件下，在嵌段共聚物中观察到了特殊的反转相结构，即共聚物中含量多的组分（PB）形成了分散相，而当溶剂挥发很慢的条件下，得到的是热力学较稳定的正常相的结构。对不同分子量的一系列嵌段共聚物的研究表明，反转相的形成和分子量相关，与聚合物的链段数目无关，只有在低于临界分子量 （Mw=70-100 KDa）的嵌段共聚物中，成膜过程的动力学过程才影响嵌段共聚物薄膜的最终相态，即形成反转相。这种依赖于分子量的相转变行为，揭示了分子链运动速度与环境变化速率的匹配对嵌段共聚物薄膜有序相结构形成的重要作用，即动力学效应对聚合物软有序化的重要作用。利用冷冻干燥的方法，进一步研究了嵌段共聚物在极慢的溶剂挥发下，由溶液膜变成固体膜的过程中，随着溶液浓度的增加，不同聚合物分子链在溶液中自组织形成有序结构的过程。结果表明反转相是由稀溶液向亚浓溶液转变的过程中形成的。通过选取具有代表性的不同亲和性的溶剂：苯和环己烷及其混合溶剂，研究了溶剂对不同链段亲和性的差异对反转相形成的影响。由聚合物一溶剂相互作用参数判断，苯是体系的良溶剂，环己烷是体系的。溶剂，而苯对PS链段有较好的亲和性，与之相反环己烷对PB链段有较好的亲和性，通过对聚苯乙烯（PS）一聚丁二烯印B）二嵌段共聚物在苯和环己烷极其混合溶剂中的相转变行为的研究发现，随着溶剂对含量少的PS链段亲和性的降低，反转相不再出现。这是由于苯与PS．链段、环己烷与PB链段有更好的亲和性，嵌段共聚物在稀溶液中，在耗尽吸引的（depletion attraction）作用下，与溶剂亲和性弱的链段，在溶液中优先发生聚集，而有序聚集后导致的混合熵的损失会被更多的因有序聚集后小分子自由体积增加引起的平移嫡的增量所补偿，因此导致了嫡驱动的软有序化。最后，通过原子力显微镜纳米压印法，分别对反转相和正常相结构的纳米力学性能进行了对比研究，讨论了不同相结构间模量的差异，结果表明软段（PB）形成分散相结构时薄膜的模量总是小于硬段（PS）形成分散相结构时薄膜的模量，这主要是由嵌段共聚物不同组分的相对含量及形成的相的结构决定的。