基于静态呼吸图法制备蜂窝状有序多孔薄膜的研究

论文摘要

近几年来,蜂窝状有序多孔薄膜在化学传感器、光子带隙、组织工程、细胞培养基板、催化、微反应器、分离膜等诸多领域具有重要的应用,因此已经受到了人们的广泛关注。在众多制备蜂窝状有序多孔薄膜的方法中,呼吸图法是一种简单高效的大面积制备有序多孔结构的自组装方法。这种方法由于具有廉价、简便、快速、水滴模板能够自然挥发除去等优点,因而成为受人青睐的自组装方法之一。呼吸图法的制备过程是一个非平衡,非等温的过程,包括很多影响实验结果的变量,如聚合物的结构及性质,有机溶剂的选择,溶液浓度,环境温度和湿度。该方法包括动态呼吸图法和静态呼吸图法。与动态呼吸图法相比,静态呼吸图法避免了气流扰动引起的偏差,因此是一种简单又通用的方法。嵌段共聚物,星型聚合物以及含有极性末端官能团的聚合物均被认为是制备有序多孔薄膜的理想材料。其中具有界面活性的两亲性嵌段共聚物是最佳的制备材料,它能聚集在有机溶剂和水的界面,从而有效稳定水滴,阻止水滴之间的相互凝聚。本文利用原子转移自由基聚合法（ATRP）合成了具有可控结构的两亲性两嵌段共聚物,聚苯乙烯-b-聚丙烯酸（PS-b-PAA）.并且选用该两亲性两嵌段共聚物作为膜材质,利用静态呼吸图法制备出规整的蜂窝状多孔薄膜。通过改变聚合物的化学组成和结构以及相关实验参数,对有序多孔薄膜的孔径和孔的有序性进行了调整。进一步,通过紫外光交联和杂化将薄膜组成由聚合物转化为无机物两种途径提高了蜂窝状有序多孔薄膜的热稳定性和耐有机溶剂性,从而解决了其在实际应用中的问题。本文通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）对形成的蜂窝状微孔膜的表面形貌进行了表征。实验结果显示,适当的聚合物嵌段比和溶液浓度是形成蜂窝状多孔薄膜的必要条件,膜的孔径随着聚合物亲水段长度的增加而增加,随着聚合物溶液浓度的增加而减小。溶剂的挥发性是制备蜂窝状有序多孔薄膜的关键因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 蜂窝状有序多孔结构的形成方法
• 1.2.1 固体基板铺展法
• 1.2.2 水面铺展法
• 1.2.3 乳液法
• 1.2.4 浸涂法
• 1.3 蜂窝状有序多孔结构的形成机理
• 1.3.1 呼吸图（Breath Figures）现象
• 1.3.2 蜂窝状有序多孔结构的形成机理
• 1.4 制备蜂窝状有序多孔聚合物薄膜的材料
• 1.4.1 星型聚合物
• 1.4.2 棒-线团状嵌段共聚物
• 1.4.3 梳形聚合物
• 1.4.4 两亲性嵌段共聚物
• 1.4.5 线形的聚合物
• 1.4.6 聚合物-冠醚嵌段共聚物
• 1.4.7 聚离子复合物
• 1.4.8 有机/无机混合物
• 1.5 蜂窝状有序多孔结构形成的影响因素
• 1.5.1 聚合物的结构及性质对蜂窝状有序多孔结构的影响
• 1.5.2 环境湿度对蜂窝状有序多孔结构的影响
• 1.5.3 有机溶剂的选择对蜂窝状有序多孔结构的影响
• 1.5.4 溶液浓度对蜂窝状有序多孔结构的影响
• 1.5.5 聚合物的分子量对蜂窝状有序多孔结构的影响
• 1.6 蜂窝状有序多孔膜的应用
• 1.7 选题意义和创新点
• 第二章 原子转移自由基聚合合成具有可控结构的两亲性两嵌段共聚物
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料与精制
• 2.2.2 分析与测试
• 2.2.3 两亲性嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚丙烯酸（PS-b-PAA）的合成
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 对大分子引发剂PS-Br和嵌段共聚物PS-b-PtBA的表征
• 2.3.2 对两亲性嵌段共聚物PS-b-PAA的表征
• 2.4 本章小结
• 第三章 静态呼吸图法制备蜂窝状有序多孔薄膜的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料与精制
• 3.2.2 分析与测试
• 3.2.3 利用静态呼吸图法制备蜂窝状有序多孔薄膜的过程
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 嵌段共聚物的组成对蜂窝状有序多孔薄膜的孔形态以及孔径的影响
• 3.3.2 聚合物溶液浓度对蜂窝状有序多孔薄膜的孔形态以及孔径的影响
• 3.3.3 环境温度对蜂窝状有序多孔薄膜的孔形态以及孔径的影响
• 3.3.4 有机溶剂的性质对蜂窝状有序多孔薄膜的孔形态以及孔径的影响
• 3.3.5 添加的表面活性剂的浓度对蜂窝状有序多孔薄膜的孔形态以及孔径的影响
• 3.3.6 蜂窝状有序多孔薄膜的酸碱稳定性
• 3.4 本章小结
• 第四章 热稳定性与耐有机溶剂性的蜂窝状有序多孔薄膜的制备
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料与精制
• 4.2.2 分析与测试
• 4.2.3 蜂窝状聚合物多孔薄膜的制备
• 4.2.4 光化学交联
• 4.2.5 聚合物多孔膜的热处理和溶剂处理实验
• 4.2.6 蜂窝状杂化膜的制备
• 4.2.7 无机图案的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 蜂窝状多孔膜的热稳定性研究
• 4.3.2 光化学交联
• 4.3.3 蜂窝状杂化膜和无机图案的制备
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果及参加学术会议情况
• 致谢