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在各种基底上构筑聚合物微球稳定排列方法的研究

白立涛  
【摘要】:随着科学技术的发展,人们关注的焦点越来越投向纳米尺度,介观态的 物体,主要包括纳米微粒、纳米丝、纳米棒、纳米管、纳米薄膜等。当粒子 尺寸进入纳米量级(1~100nm)时,其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、 表面效应和宏观量子隧道效应,因而展现出许多特有的光、电、磁、催化等 性质, 在催化、滤光、光吸收、电荷疏运、气体吸附、医药、磁记录材料等 方面有广阔的应用前景。由胶体微球构筑的材料以其在光学、电学、磁学等 方面优异独特的性质,因而在材料科学、化学和生物学方面获得了广泛的应 用。单分散胶粒经过自组装具有长程有序性和其它一些特殊性质,如光反射 和光子能带、最大堆积密度、高比表面积等,这些性质决定了它具有许多特 定的潜在应用,因而是目前实验凝聚态物理的一个热点领域。同时,胶态晶 体还为制备具有新异功能的空间周期性集团点阵材料设计开辟了新途径。所 以构造和利用高度有序的胶体微粒有序结构一直被认为是一个非常有前景的 研究领域。而膜相材料是纳米微粒应用的一个重要方面。最近发展起来的 LBL(Layer-by-Layer)技术由于其简单,快速,高效,适用性广,能够超分子 水平控制膜的组成结构和厚度,可以制备大面积膜而不受基体材料大小和形 状的限制等优点,为微纳米微粒组装提供了一条新的途径,在理论和实际应用 上都有重要意义。在 LBL 的基础上,结合目前的胶体化学和表面化学的新技 术,例如:微接触印刷,光刻技术,微模塑技术等,采取相应的方法或形式 -86- WP=96 白立涛 吉林大学硕士学位论文 2004 将功能性的纳米微球组装到表面上,可以在不同领域有广泛应用。 本文中我们首先设计合成了一种高度交联的表面富有磺酸基的聚苯乙 烯微球:利用乳液聚合制备了单分散高交联度的聚苯乙烯微球,利用硫酸对 其进行磺化,使其表面富含磺酸基。利用 TEM,红外光谱对所制的得微球进 行了表征。然后在修饰有弱聚电解质得基底上,结合了三维组装技术与 LBL 技术对微球进行了组装。通过调整体系 pH 值来控制基底表面电荷密度,从 而达到控制微球与基底的相互作用,使其有利于微球在其上自由排列。首先 利用滴膜法和垂直沉积法制备了三维的微球组装,然后调整 pH 值使微球与 基底有吸引力,同时除去第一层外的上层微球,得到二维稳定的微球排列。 我们对微球组装的结果利用 AFM、SEM 进行了表征,结果与我们的设计相 符合。这种方法利用了 LBL 方法的简便稳定和三维组装的易于制备,结合了 两种方法的优点,简单快速的制备了稳定致密的和在一定程度上有序的二维 微球排列,为纳米微球的排列提供了一种新的方法。 此外,我们利用微接触印刷技术在硅片基底上自组装有聚电解质的表面 印刷相反电荷的聚电解质,同时利用将弹性印章扣在基片表面时其上凹凸的 精细图纹相互贯通的毛细网络, 由毛细作用将磺化的聚苯乙烯微球吸入其中 进行排列,获得微条纹的微球排列。我们在平面基底上构造了微球的条带排 列结构,并在曲面上进行了微球的成功组装。这些聚合物纳米微球的自组装, 形成了一种分级组装,由模板确定下来的微型结构是一级微制造,聚苯乙烯 微球的自组装则是更微小一级的微制造。我们对组装的结果用显微镜、原子 力显微镜和扫描电镜进行了表征,发现的条带有序性较好,微球都按预定设 想排列在预先设计的位置。为微球的限域组装或在各种拓扑结构的基底上组 装提供了一种思路。 在第四章中,以甲基丙烯酸甲酯(GMA),甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA), 乙烯基吡咯烷酮(NVP)为主要成分进行三元共聚,制备得含-OH 和 C=C 双 键透明得预聚物,利用这种预聚物为基底模塑材料,在其上进行微球的组装, 用 PDMS 在组装完的微球上实行微模塑,之后处理得到曲面上微球排列。对 结果进行了 AFM 表征。通过改变基底预聚物的厚度和 PDMS 的压力我们得 到多种结构的微球排列。这种简单的方法为微球的组装在曲面上提供了实现 的可能性。利用微球二级组装改变表面拓扑结构的方法,为相似的纳米材料 -87- WP=97 白立涛 吉林大学硕士学位论文 2004 组装及应用扩展了更广阔的方向。 由于我们的磺化聚苯乙烯微球带有磺酸基团,我们期待,它作为功能化的 基础,可与其它纳米微粒进行复合及有序组装,这将引入更丰富的材料结构 和功能,为材料科学的发展带来新的生机。


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