在高温单分子光显微镜观察到的薄聚合物薄膜中的异质扩散
Bente M I Flier1, Moritz C Baier, Johannes Huber
1Fachbereich Chemie, Universität Konstanz, Universitätsstrasse 10, 78464 Konstanz, Germany.
Journal of the American Chemical Society
|November 18, 2011
概括
高温单分子光显微镜揭示了聚乙烯薄膜中的异质动态. 二胺 (PDI) 探针在玻璃过渡温度 (Tg) 附近的移动性取决于薄膜厚度和聚合物密度配置文件.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 聚合物物理 聚合物物理
- 频谱学是一种光谱学.
背景情况:
- 了解玻璃过渡温度 (Tg) 附近的聚合物动态对于材料加工和应用至关重要.
- 之前的单分子光谱学研究仅限于温度低于热塑性加工相关的温度.
- 用低分子量二胺 (PDI) 探针的聚乙烯 (PS) 薄膜来研究动力学.
研究的目的:
- 研究在薄型聚乙烯 (PS) 薄膜中单个二胺 (PDI) 分子的温度依赖动态.
- 在高达135°C的温度下探索聚合物动态,这与热塑性塑料加工有关.
- 了解薄膜厚度和聚合物密度配置文件对分子移动性的影响.
主要方法:
- 使用了一种定制的单分子光显微镜设置,能够达到高温 (高达135°C).
- 研究了PS薄膜中的PDI分子,其分子量低于纠长度,以确保放松的聚合物链.
- 分析了单探头分子轨迹,以根据轨迹半径区分移动和不移动分子.
- 使用蒙特卡洛随机步行模拟来建模和合理化观察到的异质性.
主要成果:
- 在玻璃过渡温度 (Tg) 附近观察到单个PDI探头分子运动的显著异质性.
- 在散装玻璃过渡温度 (Tg,散装) 下,PDI探头是不移动的,在Tg,散装+40 K以上是移动的.
- 在Tg,bulk上方040K范围内的移动探头的比例强烈依赖薄膜厚度,薄膜在较低的温度下显示出移动性.
- 模拟支持了一个涉及Tg配置文件和表面效应的模型,这是由于聚合物-空气界面上的聚合物密度配置文件下降.
结论:
- 高温单分子光显微镜可以研究材料加工相关的温度范围内的聚合物动力学.
- 在薄PS薄膜中,Tg附近的异质动态受薄膜厚度和聚合物密度变化的影响.
- 观察到的移动性差异可以通过一个模型来解释,该模型包含Tg的梯度和膜表面的优先探针定位.
