[發明專利]一種聚合物薄膜玻璃化轉變溫度的測量方法

有效

• 申請號: 201210037299.9
• 申請日: 2012-02-18
• 公開（公告）號: CN102564906A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 王新平;左彪
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 浙江英普律師事務所 33238
• 代理人: 陳小良

技術領域

本發明涉及一種測量方法，具體是指一種用于高分子薄膜以及超薄膜的玻璃化轉變溫度的測量方法。

背景技術

非晶態高分子的玻璃化轉變行為是高分子凝聚態物理學中的核心科學問題^[1]。玻璃化轉變溫度(Tg)是非晶態聚合物的一個極其重要的性能參數，它決定了材料的使用溫度范圍。高分子材料的力學性能取決于其使用的溫度。在低于Tg時，高分子處于脆性玻璃態，此時聚合物的形變很小，彈性模量很高(≈1GPa)，呈現出剛性的玻璃體。因此，作為塑料的聚合物必須具有較高的玻璃化轉變溫度，以確保在室溫條件下，其處于玻璃態，具有高的彈性模量。在玻璃化轉變區域內，高分子的彈性模量急劇下降(從1-10GPa降至1-0.1MPa)，聚合物體現出很強的耗散性質。因此，用作減震或者隔音材料時，則要求材料的玻璃化轉變溫度在室溫左右，以確保在室溫下高分子具有較高的內耗。當溫度高于Tg時，聚合物處于高彈態，此時高分子成為柔軟的固體，具有很高的彈性形變，外力去除后很容易恢復。因此，橡膠的Tg必須低于室溫，以確保在室溫下，高分子處于高彈態。

高分子薄膜用作涂層材料，廣泛的應用于封裝材料，微電子器件等領域而受到越來越多的關注。在金屬或者其他昂貴材料表面涂上一層高分子薄膜可以保護底層材料免受外部環境的腐蝕，從而達到保護底層材料的目的。同時，高分子涂層薄膜可以有效的改變材料的耐摩擦性能，疏水、疏油性，粘結性等表面性能。高分子薄膜的使用性能、使用壽命取決于高分子涂層材料的物理化學性質。高分子薄膜的玻璃化轉變溫度是指導我們選擇涂層材料的首要關鍵參數。根據材料的使用溫度以及用途，選擇具有不同玻璃化轉變溫度的高分子薄膜。

隨著技術的不斷進步，器件的集成化成為技術發展的趨勢，因此各種電子元件的尺寸不斷在減小。40年代所使用的真空管的大小為10cm，在80年代研制的大規模集成電路中，與一只真空管具有相同功能的元件的尺寸為10μm。照這樣的速度發展下去，到2020年，元件的尺寸將達到1nm，即分子的尺寸數量級。因此，高分子薄膜的厚度隨著器件的尺寸的降低而不斷降低，從微米級別降低到納米級別，甚至分子水平(例如LB膜、層層組裝膜)。

高分子超薄膜是指厚度在100nm以下的高分子薄膜。當薄膜厚度降低至幾百納米以下時，高分子薄膜的物理化學性質開始與其本體性質發生偏離^[2-5]。厚度越低，偏離的程度越大。高分子超薄膜的玻璃化轉變溫度，這一材料的最基本、最重要的物理性質也隨著薄膜厚度的降低而不斷發生變化^[2-5]。例如，當聚苯乙烯薄膜厚度為20nm時，PS玻璃化轉變溫度可以從本體值降至室溫左右^[5]。當薄膜厚度降低至一定程度后，高分子超薄膜的Tg是薄膜厚度的函數，不同厚度的薄膜對應于不同的Tg。另外，底層材料與高分子之間的相互作用也將影響高分子薄膜的Tg溫度。因而，不能簡單的將高分子本體的Tg等同于高分子薄膜的玻璃化轉變溫度。在選擇高分子薄膜做涂層材料時，應該根據所需涂層的厚度，以及使用溫度選擇具有合適Tg的高分子材料。所以，當選擇10nm厚的聚苯乙烯超薄膜做為玻璃態涂層時，其使用溫度就不應該高于室溫。

高分子本體玻璃化轉變溫度的測量手段從最早的體積膨脹法到現在的界電光譜、核磁共振法經過了將近70年發展，現在基本達成共識。然而，高分子薄膜的玻璃化轉變溫度的測量方法的開發僅僅經歷了將近20年，現在還基本處于萌芽狀態^[2-4]。在現有的測量手段中，并沒有一種手段獲得學者們的一致認可。目前準確測量薄膜特別是超薄膜的玻璃化轉變溫度仍然是科學界的一大挑戰。因此，開發和研究測量高分子薄膜以及超薄膜玻璃化轉變溫度的手段不論在理論上還是實際應用上均具有非常重要的意義。