溶剂蒸发效应对高分子薄膜结构影响的动力学研究

Solvent evaporation in polymeric materials is a phenomenon we see commonly in our daily life and also in many industrial applications such as printing and coating. The process is important in technological frontiers such as large scale production of devices and functional materials. Solvent evaporation is generally considered to be a diffusion process of solvent molecules driven by chemical potential gradient, but it actually involves many non-equilibrium processes such as phase separations, structural formation, gelations and glass transitions. The morphology and the physical properties of the final material depend on such processes, which is crucially important in industrial applications. Recently it has been realized that solvent evaporation has positive aspects. By properly controlling the process of solvent evaporation, uniformly oriented phases of block polymers and a large colloidal crystal of single domains have been made. Because of the simple set up and potentiality for large scale productions, such processes have been actively pursued. So far the research has been limited to experimental, and there are few theoretical works. The objective of this proposal is to clarify the physical factors which are involved in the drying of polymeric materials based on the recent development of soft matter physics. We construct a physical model which describes the time evolution of the material structure induced by solvent diffusion. We will clarify the mechanism of the orientation of block polymer phase and the structure of polymer films made by solvent evaporation and provide guidance to polymer engineering.

高分子材料中溶剂蒸发在日常生活和许多工业应用（如印刷、涂层、器件制造等）中都非常重要，对于材料制备的最终性能具有决定性的意义。由于涉及到形变（或流变）和相变，这一过程极为复杂，也是目前湿法加工中的困难所在。但是，溶剂蒸发也有积极的一面，它操作简单，非常适于工业生产。目前已有大量的实验研究，但相应的理论研究还很少。本项目基于当前高分子动力学理论的最新进展，综合考虑高分子材料溶剂蒸发过程中的各个物理因素，拟从宏观和微观两个层面描述溶剂扩散所导致的高分子薄膜结构的时间演化。在宏观上发展由二流体模型修正的压致扩散耦合模型；在微观上发展高分子动态自洽场理论。本项目致力于高分子薄膜整体形貌、溶剂蒸发诱导分子链拉伸与取向、相分离、嵌段共聚物薄膜自组装、薄膜中的结晶动力学等方向的研究，建立一套系统的动力学理论，为高分子材料加工提供理论上的指导。

围绕溶剂蒸发效应诱导软物质界面结构方面开展了一系列研究，发展和建立了全新的昂萨格变分动力学模型，并成功运用到液滴蒸发动力学等问题的研究中。在国内外重要学术期刊上发表了SCI学术论文54篇，包括3篇PRL，2篇Nature Communications, 1篇Adv. Mater., 7篇Macromolecules, 1篇ACS Macro. Lett.等。项目主持人Masao Doi 教授于2016年成为美国工程院外籍院士，项目主要参与人满兴坤副教授获批2018年国家自然科学基金优秀青年科学基金项目的资助。该项目执行期间，培养了博士研究生8人，硕士研究生12人。组织国际会议5次，参加总人次430次。.根据研究计划，系统研究了液滴蒸发动力学和溶剂蒸发效应诱导的嵌段共聚物薄膜自组装的问题。发展和建立了基于昂萨格变分原理的全新软物质动力学理论模型。建立了液滴蒸发的昂萨格变分动力学模型，揭示了流场对高分子（胶体）液滴沉积图案影响的物理机理，系统阐述了环状沉积图案从山形到火山形到咖啡环再到多环的转变的物理机理，提出通过调控蒸发速率与接触线滑移能力控制液滴蒸发沉积图案的方法；提出蒸发速率梯度诱导液滴定向运动的新物理机制，并得到实验的验证；解释了蒸发驱动的大小胶体球分层现象；系统阐述了溶剂淬火效应对嵌段共聚物自组装缺陷消除的影响，提出溶剂淬火获得大面积无缺陷嵌段共聚物层状相薄膜的方法。.项目执行期间，与以色列特拉维夫大学D. Andelman教授、美国马萨马萨诸塞大学的T. P. Russell教授(同时也是北京化工大学的兼职教授)、法国蒙彼利埃大学的K. Aissou 教授的实验课题组进行紧密的合作。特别是，项目主持人Masao Doi教授和主要参与人满兴坤副教授分别与D. Andelman教授连续两次获得国家自然基金中国和以色列国际合作项目（2015年和2019年）。我们将继续围绕溶剂蒸发效应诱导软物质界面结构的问题展开研究，为实际工业生产提供重要指导。