基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法
本发明涉及高分子加工，特别是涉及一种基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法。
背景技术：
1、如今，越来越多的聚合物薄膜被应用到电子器件领域、生物医学领域、光电子学领域以及液晶显示器上。通过研究结晶聚合物薄膜的结晶行为、精确控制聚合物薄膜晶体的生长、形状、尺寸等特性可以实现对聚合物薄膜结晶形态结构的有效调控，可以优化电子器件的性能，确保电子器件具有更高的可靠性、性能和寿命，增强器件可加工性，推动新型器件发展。
2、聚氧化乙烯也被称为聚环氧乙烷，英文名称为（polyethylene oxide），简称peo，其结构简式为(ch2ch2o)n。peo是一种具有良好结晶性、热塑性的线性高分子聚合物。聚氧化乙烯可以采用溶液旋涂法在基底表面生成厚度均匀的薄膜，通常通过改变熔融结晶条件获得不同生长速率和形态的晶体，熔融条件控制难度大，且操作不便。
技术实现思路
1、本发明提供了一种基于旋涂初始膜形态调控聚合物超薄膜中晶体生长速率和结晶结构的方法，通过选择不同的溶剂溶解聚氧化乙烯得到充分溶解的溶液，采用溶液旋涂的方法在硅基底上制备不同初始结晶形态的聚氧化乙烯超薄膜，通过此方法即可调控熔融结晶的聚氧化乙烯晶体的生长速率和结晶结构，无需改变结晶条件。
2、为解决上述技术问题，本发明提供的一种技术方案是：一种基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，包括以下步骤：
3、选择不同的溶剂配制聚合物溶液，旋涂得到不同初始结晶形态的聚合物超薄膜，将超薄膜样品在氮气保护下熔融结晶，进而对熔融后的晶体生长速率和结晶结构进行调控。
4、进一步的，将溶液置于热台上一定温度加热直至溶质充分溶解，取下热台，放置在铝块上冷却至25 ℃。
5、进一步的，以氧化处理后的硅片为基底，利用匀胶机以溶液旋涂法制备聚合物超薄膜。
6、进一步的，选用溶剂的介电常数为2.4时，旋涂得到的初始晶体为厚度8nm、分叉宽度300nm的海藻晶；选用溶剂的介电常数为23.9时，旋涂得到的初始晶体为厚度8nm、分叉宽度150 nm的海藻晶。
7、进一步的，选用溶剂的溶度参数为8.9cal1/2·cm-3/2时，旋涂得到的初始晶体为厚度8nm、分叉宽度300nm的海藻晶；选用溶剂的溶度参数为11.9cal1/2·cm-3/2时，旋涂得到的初始晶体为厚度8nm、分叉宽度150nm的海藻晶。
8、进一步的，所选溶剂与聚合物相互作用参数χ值为0.4，为聚合物的良溶剂，旋涂得到的初始晶体为厚度8nm、分叉宽度300nm的海藻晶；所选溶剂与聚合物相互作用参数χ值为0.6，为聚合物的不良溶剂（溶液中高分子链紧缩），旋涂得到的初始晶体为厚度8nm、分叉宽度150nm的海藻晶。
9、进一步的，在25℃旋涂时溶液饱和蒸气压为30mmhg，旋涂过程聚合物的半结晶时间为7s，旋涂得到的初始晶体为厚度8 nm、分叉宽度300 nm的海藻晶；在25℃旋涂时溶液饱和蒸气压为73mmhg，旋涂过程聚合物的半结晶时间为15s，旋涂得到的初始晶体为厚度8nm、分叉宽度150 nm的海藻晶。
10、进一步的，熔融结晶过程中：所选部分熔融温度比聚合物平衡熔点低3℃，在部分熔融温度保温后，晶体成核密度为15μm-2x10-3，自部分熔融温度16s降温至等温结晶温度，过冷度d t = 11℃。
11、进一步的，熔融结晶的晶体物理特性为：初始海藻晶分叉宽度为300nm的超薄膜，熔融结晶的晶体为树枝晶，其物理特性为晶体生长活化能325kj/mol,成核常数为2.51，折叠表面自由能σe为58.1erg/cm2，折叠链功q为7.6kcal/mol；初始海藻晶分叉宽度为150nm的超薄膜，熔融结晶的晶体为树枝晶，其物理特性为晶体生长活化能277 kj/mol,成核常数为1.59，折叠表面自由能σe为50.1erg/cm2,折叠链功q为4.8kcal/mol。
12、进一步的，初始海藻晶分叉宽度为300nm的超薄膜，熔融结晶的树枝晶生长速率为0.6m/s，晶体形态为分形维数1.17的树枝晶，主枝宽度3μm，晶体生长前沿耗空区宽度为0.5m；初始海藻晶分叉宽度为150nm的超薄膜，熔融结晶的树枝晶生长速率为0.2μm/s，晶体形态为分形维数1.12的树枝晶，主枝宽度5μm，晶体生长前沿耗空区宽度为0.85μm。
13、本发明的有益效果为：
14、本发明提供了一种基于旋涂初始膜形态调控聚合物超薄膜中晶体生长速率和结晶结构的方法，无需改变薄膜热历史和结晶条件，简单易于操作，可适用范围广；本发明为高分子结晶的研究工作提供了重要的技术支撑，在实际应用中可以增强薄膜有机电子器件的可加工性，提高器件的性能，推动新型器件发展。
15、为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点更能明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
技术特征：
1.一种基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，其特征是：将溶液置于热台上一定温度加热直至溶质充分溶解，取下热台，放置在铝块上冷却至25 ℃。
3.根据权利要求1所述的基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，其特征是：以氧化处理后的硅片为基底，利用匀胶机以溶液旋涂法制备聚合物超薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，其特征是：选用溶剂的介电常数为2.4时，旋涂得到的初始晶体为厚度8 nm、分叉宽度300 nm的海藻晶；选用溶剂的介电常数为23.9时，旋涂得到的初始晶体为厚度8 nm、分叉宽度150nm的海藻晶。
5.根据权利要求4所述的基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，其特征是：选用溶剂的溶度参数为8.9cal1/2·cm-3/2时，旋涂得到的初始晶体为厚度8nm、分叉宽度300nm的海藻晶；选用溶剂的溶度参数为11.9cal1/2·cm-3/2时，旋涂得到的初始晶体为厚度8nm、分叉宽度150nm的海藻晶。
6.根据权利要求1所述的基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，其特征是：所选溶剂与聚合物相互作用参数χ值为0.4，为聚合物的良溶剂，旋涂得到的初始晶体为厚度8 nm、分叉宽度300 nm的海藻晶；所选溶剂与聚合物相互作用参数χ值为0.6，为聚合物的不良溶剂，旋涂得到的初始晶体为厚度8 nm、分叉宽度150 nm的海藻晶。
7.根据权利要求1所述的基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，其特征是：在25℃旋涂时溶液饱和蒸气压为30mmhg，旋涂过程聚合物的半结晶时间为7s，旋涂得到的初始晶体为厚度8 nm、分叉宽度300 nm的海藻晶；在25℃旋涂时溶液饱和蒸气压为73 mmhg，旋涂过程聚合物的半结晶时间为15 s，旋涂得到的初始晶体为厚度8 nm、分叉宽度150 nm的海藻晶。
8.根据权利要求1所述的基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，其特征是：熔融结晶过程中：所选部分熔融温度比聚合物平衡熔点低3℃，在部分熔融温度保温后，晶体成核密度为15μm-2x10-3，自部分熔融温度16s降温至等温结晶温度，过冷度dt =11℃。
9.根据权利要求8所述的基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，其特征是：熔融结晶的晶体物理特性为：初始海藻晶分叉宽度为300 nm的超薄膜，熔融结晶的晶体为树枝晶，其物理特性为晶体生长活化能325 kj/mol,成核常数为2.51，折叠表面自由能σe为58.1erg/cm2，折叠链功q为7.6kcal/mol；初始海藻晶分叉宽度为150 nm的超薄膜，熔融结晶的晶体为树枝晶，其物理特性为晶体生长活化能277 kj/mol,成核常数为1.59，折叠表面自由能σe为50.1erg/cm2,折叠链功q为4.8kcal/mol。
10.根据权利要求9所述的基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，其特征是：初始海藻晶分叉宽度为300 nm的超薄膜，熔融结晶的树枝晶生长速率为0.6 μm/s，晶体形态为分形维数1.17的树枝晶，主枝宽度3 μm，晶体生长前沿耗空区宽度为0.5 μm；初始海藻晶分叉宽度为150 nm的超薄膜，熔融结晶的树枝晶生长速率为0.2 μm/s，晶体形态为分形维数1.12的树枝晶，主枝宽度5 μm，晶体生长前沿耗空区宽度为0.85 μm。
技术总结
本发明公开了一种基于初始膜形态调控聚合物晶体结构和生长速率的方法，该方法采用溶液旋涂法制备聚合物超薄膜，通过选择不同的溶剂配制溶液，旋涂得到不同初始结晶形态的超薄膜，进而能够对初始结晶熔融后的晶体生长速率和结晶结构进行调控；本发明所述方法通过选择不同的溶剂即可有效控制旋涂得到的超薄膜熔融后晶体生长速率和结晶结构，为高分子结晶的研究工作提供了重要的技术支持，在实际应用中可以增强薄膜有机电子器件的可加工性，提高器件的性能，推动新型器件发展。
技术研发人员：张彬,王冰花,张天义
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23