聚电解质多层膜的组装、压缩及其性能调控

论文摘要

基于层层自组装的聚电解质多层膜因其结构、组成和性质等的易可控性而得到了飞速发展。世界知名的CIBA公司于2002年推出了第一款以层层自组装超薄膜为表面涂层的产品。聚电解质多层膜在基础研究和应用开发方面都取得了丰硕的成果。通过改变聚电解质多层膜的结构或引入功能性组份(如纳米粒子，荧光量子点等)，还可获得具有各种功能的层层组装聚电解质多层膜。本课题组发现了聚电解质多层膜具有可压缩的现象，为多层膜的物理图案的构建提供了一种新的方法。多层膜压缩后，也引起了一系列的性质变化。在此基础上，本文着眼于强弱共聚的聚电解质即聚苯乙烯共聚马来酸(PSSMA)为负电解质，通过改变组装时盐浓度和种类、pH值来调控多层膜的组装和压缩，另外，把压缩和纳米粒子的原位合成结合，赋予多层膜新的功能。首先，研究了盐对PSSMA／聚二烯丙基二甲基铵盐酸盐(PDADMAC)多层膜的影响，发现随着组装时NaCl浓度的增加，多层膜的压缩率是逐渐增加的；而随着NaBr浓度的增加，多层膜的压缩率却基本保持不变。通过改变盐的浓度和种类，可以方便地可逆调控多层膜的性质和压缩程度。其次，研究了pH值对多层膜的组装和性质以及压缩对多层膜内原位合成银纳米粒子的影响。系统研究了聚电解质溶液pH值对多层膜的厚度、表面形貌及压缩性质的影响。研究发现，在pH 4条件下组装的多层膜指数化程度最大，膜最厚。随着pH值的增加，其指数化程度逐渐降低；在pH为8时，其指数化程度为最低。pH 2和pH 10条件下组装的多层膜则呈线性增长。利用原位合成技术在多层膜内制备了纳米银粒子。综合紫外和XRD的测试结果可知，在pH 2，pH 4和pH 5的条件下组装的多层膜，未压缩膜内生成的纳米银粒子较压缩后膜内生成的纳米银粒子多。而在pH 6的条件下，未压缩膜和压缩膜中纳米银粒子的数量并没有明显的差异，数量都非常少。另外，发现了形成纳米粒子的过程对多层膜内部分子的链重排起到了关键作用。再次，研究了金属铜离子对多层膜的性质和压缩的影响。发现铜离子浓度影响多层膜的增长方式。当多层膜中存在铜离子时，多层膜很难被压缩；一旦铜离子被除去后，多层膜的压缩程度则大幅度提高。最后，系统地研究了不同干燥时间对多层膜压缩形成图案的影响，发现随着多层膜干燥时间的增加，经压缩后依次可以得到双条带、脊状和薄条带图案，提出了压缩模型和机理。另外，也研究了多层膜图案化压缩后的稳定性动力学问题，以及图案稳定性的控制问题。利用多层膜在含水量较多时压缩具有侧向流动这一原理，我们简化了压缩手段，并且可以很方便地进行纳米粒子三多层膜表面的定向排列。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 多层膜形成的作用力
• 1.2.1 静电力多层膜
• 1.2.2 氢键多层膜
• 1.2.3 共价键多层膜
• 1.2.4 疏水力多层膜
• 1.3 多层膜的影响因素
• 1.3.1 聚电解质类型和电荷密度的影响
• 1.3.2 盐浓度和类型的影响
• 1.3.3 溶剂的影响
• 1.3.4 温度的影响
• 1.3.5 pH值的影响
• 1.4 自组装多层膜的图案化
• 1.4.1 多层膜的化学图案化
• 1.4.2 多层膜的物理图案化
• 1.4.2.1 自组装多层膜的压缩
• 1.4.2.1.1 压缩引起的表面粗糙度的变化
• 1.4.2.1.2 压缩引起的表面亲疏水性的变化
• 1.4.2.1.3 压缩引起多层膜的包埋和释放性质的变化
• 1.4.2.1.4 压缩对多层膜pH响应性的影响
• 1.4.2.2 自组装多层膜的压印
• 1.5 课题的提出
• 第二章 盐对聚电解质多层膜组装和压缩的影响
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 原料和试剂
• 2.1.2 PDMS软印章的制备
• 2.1.3 基片处理
• 2.1.4 多层膜的组装
• 2.1.5 测试与表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 盐对聚电解质多层膜组装和性质的影响
• 2.2.2 盐对聚电解质多层膜压缩的影响
• 2.2.3 盐对聚电解质多层膜压缩和性质的可逆调控
• 2.3 本章小结
• 第三章 pH对多层膜组装和压缩以及纳米粒子的原位合成的影响
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 原料和试剂
• 3.1.2 基片处理
• 3.1.3 多层膜的组装
• 3.1.4 原位诱导合成纳米粒子
• 3.1.5 测试与表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 pH值对多层膜组装和压缩的影响
• 3.2.2 压缩及溶液pH值对聚电解质多层膜内生成纳米粒子的影响
• 3.2.2.1 pH4条件下压缩对聚电解质多层膜内生成纳米粒子的影响
• 3.2.2.2 原位合成纳米粒子对聚电解质多层膜性质的影响
• 3.2.2.3 其它pH值下压缩对聚电解质多层膜内生成纳米粒子的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 铜离子对聚电解质多层膜组装和压缩的影响
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 原料和试剂
• 4.1.2 基片处理
• 4.1.3 多层膜的组装
• 4.1.4 测试与表征
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 铜离子对聚电解质多层膜组装的影响
• 4.2.2 铜离子对聚电解质多层膜压缩的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 多层膜干燥时间对压缩产生图案的影响以及后处理
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 原料和试剂
• 5.1.2 基片处理
• 5.1.3 多层膜的组装
• 5.1.4 测试与表征
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 聚电解质多层膜干燥时间对压缩产生图案的影响
• 5.2.2 压缩产生图案的后处理
• 5.2.3 侧向流动的应用
• 5.3 本章小结
• 全文结论
• 建议与展望
• 参考文献
• 作者简介