相容性高分子體系界面相互擴(kuò)散行為的原子力顯微鏡研究.pdf

1、在多相多組分高分子體系中，相結(jié)構(gòu)及界面層的微觀結(jié)構(gòu)往往決定著材料的宏觀性能（如力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、滲透性等）并影響其最終用途。而在高分子界面的形成過程中，擴(kuò)散起著至關(guān)重要的作用。相比小分子之間的擴(kuò)散行為，高分子/高分子界面擴(kuò)散則復(fù)雜得多，已難以用簡單的Fick擴(kuò)散模型來加以描述。因此，針對高分子/高分子界面擴(kuò)散行為的理論和實(shí)驗(yàn)方法研究顯得尤為必要。迄今為止，科學(xué)家們先后提出的研究理論包括“蛇行”理論、“慢模式”理論、“快模式”理論、“快慢

2、雜化”理論等。與此同時(shí)，雖然已有不少實(shí)驗(yàn)技術(shù)成功應(yīng)用于此行為的研究，例如中子反射、二次離子質(zhì)譜、振動(dòng)光譜（包括拉曼光譜和紅外光譜）、透射電子顯微鏡等，但由于受到各種因素的限制，特別是儀器分辨率的限制，只有一些倒空間技術(shù)（如中子反射）能在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)基本單元——高分子鏈尺寸上來研究此行為，目前尚缺乏在正空間分子尺度上研究此行為動(dòng)力學(xué)的方法。
　　 本論文首先借助差示掃描量熱儀（DSC）和萬能電子拉力儀分別研究了聚甲基丙烯酸正丁酯/聚氯

3、乙烯（PnBMA/PVC）共混體系的相容性和拉伸性能。最后用原子力顯微鏡（AFM）著重研究了PnBMA/PVC層壓體系的界面擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)行為。
　　 （1）通過溶液澆鑄法制備了一系列不同PVC含量的共混體系薄膜，DSC結(jié)果表明所有共混體系均僅顯示出一個(gè)玻璃化溫度（Tg），說明PVC和PnBMA具有良好的相容性。隨著PVC含量的增加，共混體系的Tg逐漸增加。實(shí)驗(yàn)值在一定程度上可由Fried、Fox和Gordon-Taylor方程來描

4、述，其中在沒有擬合參數(shù)k的情況下，F(xiàn)ox方程稍優(yōu)于Fried方程；但擬合最好的還屬k=0.99±0.10的Gordon-Taylor方程，即Tg與PVC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎呈線性關(guān)系。采用改良的濁點(diǎn)法得到了共混體系的相圖，該體系表現(xiàn)為下臨界共溶溫度（LCST）行為，其下臨界共熔點(diǎn)的組成和溫度分別為90wt％的PVC和192℃。
　　 （2）共混物薄膜的拉伸性能結(jié)果顯示：隨著PVC含量的增加，共混體系的比模量和屈服應(yīng)力逐漸增加，而斷裂伸

5、長率則逐漸下降。
　　 （3）通過層壓法制備了75℃下退火16h、37h和96h、以及110℃下退火0.5h、1h和4h的層壓體系。使用超薄切片技術(shù)得到面積約為0.2×0.4mm2的擴(kuò)散橫截面的超平平面。采用輕敲式AFM（tapping mode，TM-AFM，即DFM）進(jìn)行測量，同時(shí)得到了擴(kuò)散界面的形貌圖（topography image）和相位圖（phase image）。結(jié)合這些圖形，獲得了界面的相對濃度分布及其厚度、以及

6、界面層厚度與退火時(shí)間的標(biāo)度關(guān)系。退火溫度為75℃時(shí)，由于PnBMA需對PVC先進(jìn)行塑化，擴(kuò)散速度相當(dāng)緩慢，PnBMA在界面處堆積，界面層厚度與退火時(shí)間成正比，遵守非Fick擴(kuò)散的Case-II行為，滲透速率ν=4.36×10-13 m/s。退火溫度為110℃時(shí)，界面層厚度與退火時(shí)間的平方根成正比，遵守典型的Fick擴(kuò)散Case-I行為，相互擴(kuò)散系數(shù)D m=2.04×10-19m2 /s，與Dlubek等人用DSC法（2.0×10-18m