纳米粒子填充聚合物共混体系相分离、去润湿和纳米粒子聚集行为的研究

Tuning the morphology of nanoparticle filled polymer blends film is an effective method to obtain film materials with desirable multifunctional properties, which makes it an extremely valuable research focus from the point of theory and applied field. With the combination of our previous fundamental research in the phase separation and dewetting of polymer blends film, we propose the research in the phase separation, dewetting and nanoparticle clustering morphology evolution behaviors of nanoparticle filled polymer blends film as follows: 1) exploring the influence of external fields for the aggregation structure of nanoparticle filled polymer blending films, perfecting the mechanism of the formation of various morphological structures in the process of film preparation for the system of nanoparticle filled polymer blends film; 2) Study and discuss the effect of filled nanoparticle on the dewetting bahavior of polymer blend films, and analyzing the physical nature which influences the dewetting behavior with reference to theoretical dynamics and kinetics; 3) Investigate the dispersion state of nanoparticle in the blending film,and reveal its influence on the coupling behavior of phase separation and dewetting in the polymer film from the perspective of polymer physics. Based on the above research, a relation between the interaction or competition of phase separation, dewetting and nanoparticle clustering and the evolution of the film multi-scale structures can be established, which in turn provides theoretical guidance and approaches for the fabrication of nanoparticle filled polymer blends film materials and devices with multi-scale structures and multi-function.

调控纳米粒子填充聚合物共混薄膜的聚集态结构是获得具有预想功能性薄膜材料的有效途径，具有重要的理论和应用研究价值。本项目结合我们在共混聚合物薄膜体系相分离和去润湿方面的研究基础，针对纳米粒子填充高分子薄膜中相分离、去润湿和粒子团聚形态结构的演变行为拟进行如下研究：(1) 研究外场条件对纳米粒子填充共混聚合物薄膜聚集态结构形成的影响，完善共混复合聚合物薄膜体系成膜过程聚集态结构的形成机理。（2）探讨填充纳米粒子对共混薄膜的去润湿行为的影响，从热力学和动力学角度分析添加纳米粒子影响去润湿行为的物理本质。(3)探讨纳米粒子在共混薄膜体系中的分散状态，从高分子物理学的角度揭示其对共混薄膜体系中相分离和去润湿耦合行为的影响。通过以上研究，构建相分离、去润湿和纳米粒团聚之间的相互影响和竞争与薄膜多尺度结构演变之间的关系，为利用纳米粒子填充共混薄膜制备多尺度结构和多功能的材料及器件提供理论指导与新的思路。

调控纳米粒子填充聚合物共混薄膜的聚集态结构是获得具有预想功能性薄膜材料的有效途径，具有重要的理论和应用研究价值。本项目针对纳米粒子填充高分子薄膜中相分离、去润湿和粒子团聚形态结构的演变行为。通过原子力显微镜和光学显微镜系统地研究了不同纳米粒子含量填充的不同聚合物比例和不同厚度的PS/PVME共混薄膜在130℃下退火时的去润湿和相分离行为。对于无纳米粒子填充的共混薄膜，在两相区退火导致聚合物相分离，相分离诱导薄膜的组分波动从而导致薄膜表面波动而发生去润湿；随着共混薄膜中PS含量的增加，由于相分离与去润湿之间的相互竞争与影响，使得薄膜的去润湿机理从旋节线向成核增长的方式转变，薄膜最终稳定形态的液滴尺寸随着膜厚度的降低而减小；对于纳米粒子填充的共混薄膜，在低含量纳米粒子填充时，纳米粒子聚集在聚合物-聚合物界面，减小不相容两相的界面张力，使得膜退火过程中形成去润湿液滴的过程减慢，尺寸变小；随着纳米粒子含量的增加，当纳米粒子在聚合物界面处浓度达到饱和后开始在聚合物-基底界面聚集，通过聚合物-纳米粒子阈渗的网络使得去润湿过程被完全抑制，薄膜变得稳定而不能形成去润湿的圆形液滴；在更高的纳米粒子含量时，纳米粒子会在聚合物薄膜中发生旋节线团聚。这种形态演变的变化规律在不同比例的共混体系中其发生过程相似，只是动力学演变的时间尺度和最终薄膜稳定形态的特征尺寸随着薄膜两组分的共混比例改变而变化。随着膜厚的减小，薄膜的稳定性变差，需要加入更多的纳米粒子才能使薄膜变得稳定。在以上研究结果基础上，构建了相分离、去润湿和纳米粒团聚之间的相互影响和竞争与薄膜多尺度结构演变之间的关系，为利用纳米粒子填充共混薄膜制备多尺度结构和多功能的材料及器件提供了理论指导与新的思路。