刚-柔嵌段共聚物在有序排列的微米圆盘表面自组装构筑多级结构

在材料表面构筑聚合物多级结构可以显著提升其性能并赋予新的性能,但是目前已有的制备方法较为繁琐,需要开发简单易行的新方法。结合聚苯乙烯(PS)的可控蒸发组装和聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)-聚乙二醇(PBLG-b-PEG)刚-柔嵌段共聚物溶液自组装方法,在硅片表面构建了梯度排列且表面具有纳米条纹的微米圆盘多级结构。采用光学显微镜、原子力显微镜(AFM)和接触角测量仪等对微结构形貌及硅片的表面润湿性进行了表征。PS溶液经可控蒸发自组装在硅片表面形成梯度变化的微米圆点图案,经热处理及溶剂清洗后,得到微米圆盘。通过溶液自组装方法,PBLG-b-PEG在PS微米圆盘表面形成有序排列的周期性纳米条纹。材料的接触角随着图案表面微结构从半球状圆点到表面平整的圆盘再到表面带有纳米条纹的圆盘的变化持续降低。

图案化两亲性刚-柔嵌段共聚物薄膜的耗散粒子动力学模拟

运用耗散粒子动力学模拟,研究了两亲性刚-柔嵌段共聚物在平面基板上的自组装,考察了溶剂选择性和基板形状对自组装形貌的影响。结果表明,共聚物可以在基板表面形成多种图案(如条纹图案),其中疏水刚性链段有序排列形成条纹的内核,亲水柔性链段形成外壳。当溶剂对柔性链段亲和性较好且对刚性链段亲和性较差时可以得到具有条纹图案的薄膜。此外,共聚物可以在不同形状的基板上形成与基板具有相似拓扑结构的条纹图案。

含有刚性聚肽亲溶剂链段的共聚物自组装行为

首先采用阴离子开环聚合的方法合成了聚苯乙烯-b-聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)(PS-b-PBLG)聚肽嵌段共聚物,然后通过与甲氧基聚乙二醇的酯交换反应部分取代PBLG链段的侧链苄基,得到聚苯乙烯-b-聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯-co-聚乙二醇-L-谷氨酸酯)(PS-b-P(BLG/PEGLG))接枝改性嵌段共聚物。使用溶液自组装的方法,以四氢呋喃-N,N-二甲基甲酰胺(THF-DMF)混合溶剂(体积比为1∶1)为起始共溶剂,水为选择性溶剂,制备了PS-b-PBLG和PS-b-P(BLG/PEGLG)共聚物的自组装胶束。使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、紫外-可见光光谱仪(UV-Vis)和激光光散射仪(LLS)等测试表征了共聚物自组装体的形貌。研究表明,PS-b-PBLG共聚物自组装形成了球形粒子,而PS-b-P(BLG/PEGLG)接枝改性嵌段共聚物自组装形成了新颖的碗状核壳型粒子。这些组装体中,较为亲水的PBLG或P(BLG/PEGLG)刚性链段形成了外壳,较为疏水的PS链段形成了内核。通过改变共聚物结构(PEG接枝率和接枝长度等)和自组装条件(温度和加水速率等)调控自组装结构。当PEG接枝率较高或接枝链长度较长时,纳米碗的开口较大,并可转变为纳米环。根据研究结果提出了纳米碗形成的机理及其形貌的转变规律。PS-b-P(BLG/PEGLG)接枝改性嵌段共聚物在THF-DMF溶剂中溶解良好,加水诱导共聚物自组装可形成以PS为核、P(BLG/PEGLG)为壳的自组装初级胶束;随着加水量的增加,初级自组装胶束内部的有机溶剂向外扩散,而水不能进入胶束内核,因此胶束发生塌缩形成纳米碗。当未接枝PEG或PEG含量较低时,聚肽链段堆积较为紧密导致外壳较为坚硬,当有机溶剂向外扩散时,胶束形貌不易变形,因此保持了球形结构;而当PEG含量更高时,壳层P(BLG/PEGLG)聚肽链段的运动能力更强,当有机溶剂向外扩散时,胶束开口程度较大,甚至形成纳米环结构。

聚苯乙烯-b-聚谷氨酸苄酯刚柔嵌段共聚物的合成及其层状形貌考察

以末端带胺基的聚苯乙烯(PS-NH2)为引发剂,利用N-羧酸内酸酐(N-carbonyl anhydride,NCA)法制备一种刚柔二嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚(γ-苄基-L-谷氨酸酯)(polystyrene-b-poly(γ-benzyl-L-glutamate),PS-b-PBLG)杂化聚肽,并研究该聚肽嵌段共聚物的分子结构、热性能、液晶性与自组装形貌的溶剂效应.以氢核磁共振波谱(1H-NMR)和凝胶渗透色谱仪(GPC)表征两嵌段的摩尔比、分子量及其分布.利用示差扫描量热分析仪(DSC)与光学显微镜(POM)考察材料的热性质与液晶性.由小角X射线散射(SAXS)分析得知,两嵌段组分呈交替分布层状结构,聚肽层中α螺旋链在不同溶剂中会发生不同程度折叠;通过透射扫描电镜(TEM)清楚观察到PS-b-PBLG在1,2-二氯乙烷(EDC)中α螺旋折叠形成了条纹式层状形貌,不同于1,1,2,2-四氯乙烷(TCE)中α螺旋完全伸展形成的锯齿式层状形貌.

基于甲壳型液晶高分子的刚-柔型二嵌段共聚物的层状相:链伸展行为的研究

研究了一系列以聚己内酯(PCL)为柔性链段、甲壳型液晶高分子聚{2,5-二[(4-甲氧基苯基)氧羰基]苯乙烯}(PMPCS)为刚性链段的刚-柔型二嵌段共聚物(PCL-b-PMPCS)的微相分离结构.小角X射线散射(SAXS)和广角X射线衍射(WAXD)实验结果表明,当PMPCS为无定形态时,PCL-b-PMPCS的微相分离行为与柔-柔型二嵌段共聚物相似,其相形态主要取决于两段的体积分数.随温度升高,PMPCS链段采取伸展的棒状构象,形成六方柱状向列相(ΦHN),会诱导体系的微相分离结构出现"有序-有序"或"无序-有序"转变,使得在很宽的PMPCS体积分数(fPMPCS:40%~80%)内样品均呈现层状微相分离结构.我们对在200oC得到的层状相SAXS数据进行了一维相关函数分析,详细考察了层状相中PMPCS及PCL相区的厚度(LPMPCS、LPCL)与相应链段聚合度(NPMPCS、NPCL)的关系.对PMPCS相区,发现LPMPCS=0.2NPMPCS(nm).因棒状PMPCS链段与层的法线方向平行,该线性关系表明PCL-b-PMPCS的层状相为"单层近晶A相"结构,LPMPCS即为棒状PMPCS链段的长度,可通过控制PMPCS的聚合度予以精确控制.对PCL相区,则LPCL与NPCL近似有标度关系LPCL^NPCL0.85,说明处于熔融态的PCL链段受迫强烈伸展.进一步分析WAXD实验数据并计算每根PMPCS链段在层状相中的界面面积(S/X)可知,随NPMPS增大,PMPCS链段的液晶度从~20%增至~55%,S/X则从~2.4nm2增至~2.7 nm2.与此相应,PCL链段的伸展程度会略有降低,说明LPCL有较弱的NPMPCS依赖性.另一方面,LPCL与S/X的乘积与NPCL满足线性关系LPCL(S/X)=0.21NPCL(nm3),斜率即为PCL重复单元的体积.