Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Физический факультет

Кафедра физики полимеров и кристаллов

Курсовая работа

на тему:

Изучение ламеллярной структуры в тонких диблок-сополимерных пленках.

выполнил студент 4 курса: Гумеров Рустам Анрикович

научный руководитель: проф. Потемкин Игорь Иванович

Москва 2011 г.

Оглавление

Введение...............................................................................................................3

Обзор литературы................................................................................................6

Постановка задачи...............................................................................................10

Раствор блок-сополимеров.................................................................................11

Набухание расплава блок-сополимеров в неселективном растворителе.......15

Выводы..................................................................................................................19

Список литературы..............................................................................................20

Введение

Блок-сополимеры – интересный класс макромолекул, полученных путем соединения ковалентными связями в длинную цепь блоков различного химического строения. Каждый блок представляет собой, по сути, гомополимерную цепь. Такие соединения обычно получают при помощи анионной полимеризации на «живых» цепях (вначале выращивают блок одного типа с активным центром на конце, к которому в дальнейшем присоединяются звенья другого типа). Молекулы блок-сополимеров могут иметь различную архитектуру и число блоков. Наиболее простой, в этом отношении, является молекула линейного диблок-сополимера.

Полимеры разных сортов, как известно, плохо смешиваются [1]: достаточно лишь небольшого отталкивания звеньев, чтобы произошло разделение смеси на составные компоненты. В случае блок-сополимеров, макрофазное разделение невозможно из-за наличия ковалентной сшивки между цепями различной природы, и в такой системе происходит микрофазное разделение, т.е. разделение на ограниченных масштабах порядка длин блоков. В результате в растворе или расплаве блок-сополимера образуется периодическая доменная структура, тип и период которой зависят от строения и состава макромолекул. Простейшая система, в которой реализуется этот эффект – расплав молекул диблок-сополимера. В настоящий момент микрофазное разделение диблок-сополимеров хорошо изучено. Теоретическое рассмотрение микрофазного расслоения проводится традиционно в приближении самосогласованного поля. В таком подходе поведение системы можно охарактеризовать тремя параметрами: степенью полимеризации , соотношением длин блоков и параметром Флори-Хаггинса , описывающем взаимодействие звеньев друг с другом.

(1)

Где , , - энергии контактов соответственно звеньев типа А/звеньев типа А, звеньев В/звеньев В и звеньев А/звеньев В. Положительные значения параметра Флори-Хаггинса соответствуют отталкиванию между звеньями, а отрицательные, наоборот, притяжению. Обычно этот параметр положителен и намного меньше единицы (если между звеньями нет каких-либо особых взаимодействий, например, водородных связей). Как видно из формулы, обычно убывает с температурой, т.е. при понижении температуры несовместимость блоков растет и происходит разделение. И, наоборот, при повышении температуры несовместимость блоков падает и смешивание оказывается возможным. Поскольку энтропийный и энергетический вклады в свободную энергию входят с коэффициентами и , соответственно, то состояние блок-сополимера определяется произведением [2].

Рисунок 1 Морфологии расплава линейного диблок-сополимера в пределе сильной сегрегации.Обозначения: S – сферическая, С – цилиндрическая, G – гироидная, L – ламеллярная, Их изображения даны в порядке увеличения доли звеньев А. [3]

Если диблок-сополимер симметричен, то расслоение происходит при [4]. В окрестности точки перехода между блоками взаимодействие слабое, четкой границы между доменами нет, и профиль концентрации звеньев можно аппроксимировать синусоидой. Рассмотрение системы в этой области соответствует режиму ”слабой сегрегации”. Теория микрофазного расслоения в режиме слабой сегрегации была развита Лейблером [4]. При понижении температуры, вдали от точки перехода ( ) профиль концентрации звеньев становится ступенчатой функцией, что соответствует режиму ”сильной сегрегации”. В области сильной сегрегации блоки образуют практически чистые домены с очень узким поверхностным переходным слоем, кроме того, цепи сильно вытягиваются. Теорию сильной сегрегации предложил А.Н.Семенов [5]. В дальнейшем, теория микрофазного разделения непрерывно совершенствовалась.

Наибольший технологический интерес представляют тонкие пленки из блок-сополимеров. Такие пленки являются многообещающими кандидатами для ряда приложений, таких как нанопористые пленки, наноструктурированные шаблоны, фотонные кристаллы и биодатчики [6,7]. Наиболее подходящими для этих приложений можно считать пленки с ламеллярной микроструктурой. Способ получения носит в англоязычной литературе название «spin-coating»: на вращающуюся твердотельную подложку капают раствор блок-сополимеров. Под влиянием центробежной силы, капля равномерно растекается по всей подложке. Параллельно с этим происходит испарение растворителя. За несколько минут весь растворитель окончательно испаряется и на поверхности подложки образуется тонкая пленка. Конечная ее толщина определяется концентрацией полимера в исходном растворе. При этом сама морфология ламеллей в пленке может быть различной. Ламелли могут быть ориентированы ,по отношению к подложке, параллельно, перпендикулярно, либо же иметь смешанную морфологию (присутствуют обе ориентации). Для постановки задачи в данной курсовой работе, произведем обзор последних теоретических и экспериментальных исследований в этой области.