聚合物多级微相结构及其力学性能研究

Copolymers with sophisticated topologies are capable of microphase-separating into various hierarchical microstructures under certain conditions. Nanomaterials with hierarchical microstructures usually exhibit more advanced macroscopic properties than those with traditional microstructures such as lamellae, and therefore they may find promising applications in various fields. The results gained through the related studies may provide useful information to understand the nature of hierarchical microphase separation and to design high-performance functional materials. In this proposal, firstly a series of copolymers with various topologies will be designed and synthesized through molecular engineering and the structures of the samples will be characterized. Then, through combining the experimental observations and theoretical simulations, we intend to investigate the influences of the molecular topologies and intermolecular interactions on the hierarchical microphase separation, and unveil the underlying mechanisms. Finally, we will carry out studies on the mechanical properties of these materials with hierarchical microstructures. The effects of different microstructures will be examined to unveil the principle governing the mechanical properties. Through above investigations, we intend to fulfill the objective, i.e., to gain controllable microstructures and controllable properties through molecular design of copolymers.

具有复杂拓扑结构的高分子共聚物在一定条件下通过微相分离可形成多级微相结构，研究多级微相分离行为对于掌握多级结构的形成规律以及利用多级结构设计获得高性能功能材料具有重要意义。本申请课题首先通过分子设计，合成具有不同拓扑结构的多组分共聚物。然后，运用实验和理论模拟相结合的方法，研究共聚物的拓扑结构和链段相互作用等因素与其所形成的多级结构之间的关系，明确相关机理。 在此基础上，开展具有多级微相结构的高分子材料的力学性能研究，明确高分子多级结构与力学性能之间的关系。通过上述研究，实现从分子设计到微相结构设计再到力学性能的可控，为通过调控聚合物的多级结构获得高性能结构与功能材料奠定基础。

具有复杂拓扑结构的高分子共聚物体系在一定条件下通过微相分离可形成多级微相结构，研究多级微相分离行为对于掌握多级结构的形成规律以及利用多级结构设计获得高性能功能材料具有重要意义。根据研究计划和目标，系统开展了相关的研究：1）制备了各种聚合物，通过研究共聚物的微相分离行为，掌握了拓扑结构、链段间相互作用等因素与形成微相结构之间的关系。例如，发现多嵌段共聚物可以发生微相分离，形成各种结构中有结构的多级结构，如果分子链中有刚性链，还可以形成独特的液晶多级结构。2）开展具有微相结构的高分子材料的力学和光电性能研究，发现刚柔两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中可自组装形成各种微相结构，其流动曲线呈现出区别于传统柔性或刚性聚合物溶液的三区域流动行为，这一独特行为源自于刚性和柔性嵌段对剪切流动的响应具有不同的时间尺度。发现接枝共聚物在溶剂中可通过微相分离形成具有多级结构的多舱凝胶。当引入氢键后，其力学性能可大幅提高，并具有自愈功能。研究发现当多嵌段共聚物形成多级结构后，光伏性能可以得到大幅提高。这一发现可为高性能聚合物太阳能电池的制备提供设计思路和理论指导。.研究成果在Polym. Chem.、J. Chem. Phys.、Macromolecules、Prog. Polym. Sci.等学术刊物上发表14篇，在国内外学术会议上做邀请报告11次。部分成果获2015年上海市自然科学奖一等奖（第1完成人）。团队中1人入选基金委优青，1人入选上海市科技启明星。培养了4名博士和3名硕士。