一種基底支撐聚合物薄膜黏度的測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及測量技術領域，特別涉及一種基底支撐聚合物薄膜黏度的測量方法。
【背景技術】
[0002]聚合物的流變性能是指導聚合物材料成型加工的重要基礎。黏度(η)是非晶態(tài)聚合物的一個極其重要的物性參數(shù)，反映了聚合物熔體或者黏彈態(tài)高分子發(fā)生黏性流動的能力。黏度與材料的力學性能、耐熱性、成型和加工性能以及使用壽命密切相關。例如，降低黏度可提高聚合物的加工流動性，充模過程聚合物熔體易于流過狹窄的管道，提高了制品質量，也減小了注塑機、擠出機運轉所需能量;高黏度聚合物制品受熱不易發(fā)生形變，具有較高的熱穩(wěn)定性。同時，黏度是高分子鏈運動的體現(xiàn)。研究聚合物黏度對于構建聚合物凝聚態(tài)體系的結構模型及其分子運動的物理圖像也具有非常重要的理論意義。
[0003]聚合物薄膜被廣泛應用于納米材料領域。以聚合物薄膜作為載體，利用各種微納米加工技術，可在聚合物薄膜表面制備各種納米圖案化結構，進而制備有機光電材料、微電子器件等納米功能材料。另外，聚合物薄膜也可直接用作涂層材料應用于封裝材料等領域，不僅可以保護底層材料免受外部環(huán)境侵蝕，亦可改變材料的耐摩擦性、疏水或疏油性、粘結性等表面性能。聚合物薄膜黏度決定了聚合物納米材料的制備加工條件以及使用性能。
[0004]當聚合物薄膜厚度降低至幾百納米以下時，聚合物薄膜的物理化學性質開始與其本體性質發(fā)生偏離。厚度越低，偏離的程度越大。聚合物超薄膜的黏度也隨著薄膜厚度的降低而發(fā)生變化，例如，當溫度為340Κ時，9nm聚苯乙烯薄膜黏度比本體值降低大約三個數(shù)量級。聚合物薄膜的黏度是薄膜厚度的函數(shù)，不同厚度的薄膜具有不同的黏度。另外，底層材料與聚合物薄膜之間的相互作用也將影響薄膜的黏度值。研究發(fā)現(xiàn)，表面鈍化的硅基底(H-Si)上聚苯乙烯薄膜黏度比氧化硅基底上的聚苯乙烯薄膜的黏度增大3倍。當?shù)讓硬牧吓c聚合物薄膜具有較強相互作用時，薄膜的黏度將隨膜厚降低而增大。因而，不能簡單的將聚合物本體的黏度等同于聚合物薄膜的黏度。
[0005]由于傳統(tǒng)的測量本體聚合物黏度及流變性質的方法(如流變儀)并不適用于納米尺度聚合物薄膜黏度的研究，最近十多年間，研究學者一直致力于開發(fā)聚合物薄膜黏度的新測量方法，如通過研究聚合物表面形貌演變測量聚合物薄膜的黏度、通過“納米鼓泡法(nano-bubble inflat1n)”研究聚合物薄膜的黏度、通過研究漂浮在甘油表面聚苯乙稀薄膜“去潤濕”動力學研究薄膜黏度的厚度依賴性。然而，目前準確測量聚合物薄膜特別是基底支撐的聚合物薄膜的黏度仍然是學界的一大挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基底支撐聚合物薄膜黏度的測量方法，能夠準確測定基底支撐聚合物薄膜的黏度。
[0007]本發(fā)明的技術方案如下:
[0008]本發(fā)明提供了一種基底支撐聚合物薄膜黏度的測量方法，包括以下步驟:
[0009](I)將基底支撐聚合物薄膜加熱并維持溫度恒定；
[0010](2)將測試液體置于步驟(I)所述維持溫度恒定的聚合物薄膜表面，形成液滴，測定所述液滴在所述聚合物薄膜表面形成的接觸角Θ值，記錄液滴在聚合物薄膜表面的放置時間t;
[0011](3)將步驟(2)中所述聚合物薄膜冷卻，除去所述聚合物薄膜表面的液滴，在所述除去液滴的聚合物薄膜表面的聚合物/液滴/空氣三相線處形成潤濕脊，測量潤濕脊的高度h；
[0012](4)改變液滴在聚合物薄膜表面的放置時間t，獲得潤濕脊的高度h隨液滴放置時間t的h?t變化關系；
[0013]當所述液滴在聚合物薄膜表面的放置時間大于聚合物薄膜松弛時間時，所述液滴放置時間與所述潤濕脊的高度之間具有式I所示的線性關系；
[0014]基于式I線性關系的斜率k，根據(jù)所述式II計算得到聚合物薄膜的黏度:
[0015]h = kt+b 式I，
[0016]其中，h—潤濕脊的高度，
[0017]t一液滴在聚合物薄膜表面的放置時間，
[0018]k 一斜率，
[0019]b—截距；
[0020]n = 0.37ysin9/k 式II，
[0021 ]其中，11一聚合物薄膜的黏度，
[0022]γ—液滴的表面張力，
[0023]Θ—液滴與聚合物薄膜表面形成的接觸角，
[0024]k 一式I中的斜率。
[0025]優(yōu)選的，步驟(I)中所述聚合物薄膜的厚度為10?lOOOnm。
[0026]優(yōu)選的，步驟(I)中所述聚合物薄膜的厚度為50?500nm。
[0027]優(yōu)選的，步驟(I)中所述聚合物薄膜中聚合物為線性聚合物。
[0028]優(yōu)選的，所述線性聚合物包括聚苯乙烯、聚苯乙烯衍生物、甲基丙烯酸酯類聚合物、聚乙烯基叔丁基醚、聚丙烯腈、聚甲基丙烯腈、聚醋酸乙烯酯、聚苯醚、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、氟乙烯類聚合物、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚乳酸、尼龍、聚丁二烯、聚異戊二烯、聚砜、聚醚中的一種或幾種的共混物，或幾種的共聚物。
[0029]優(yōu)選的，步驟(I)中所述加熱的溫度高于聚合物的玻璃化溫度。
[0030]優(yōu)選的，步驟(2)中所述測試液體包括甘油、乙二醇、聚乙二醇齊聚物、聚環(huán)氧乙烷齊聚物、二甲基亞砜、N，N-二甲基甲酰胺或離子液體。
[0031]優(yōu)選的，所述離子液體包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3甲基咪唑三氟甲基磺酸鹽或1-丁基-3甲基咪唑甲基硫酸鹽。
[0032]優(yōu)選的，步驟(2)中所述液滴的直徑為2?7_。
[0033]優(yōu)選的，步驟(3)中所述冷卻是采用冷卻介質將所述聚合物薄膜冷卻至室溫；
[0034]所述冷卻介質包括冰袋、液氮、干冰或低溫金屬板。
[0035]本發(fā)明提供了一種基底支撐聚合物薄膜黏度的測量方法，首先將基底支撐聚合物薄膜加熱并維持溫度恒定;然后將測試液體置于所述維持溫度恒定的聚合物薄膜表面，形成液滴，并記錄放置時間；將聚合物薄膜冷卻，除去聚合物薄膜表面的液滴，在所述除去液滴的聚合物薄膜表面的聚合物/液滴/空氣三相線處形成潤濕脊，測量潤濕脊的高度;改變液滴放置時間，獲得潤濕脊高度隨液滴放置時間的變化關系，當所述液滴在聚合物薄膜表面的放置時間大于聚合物薄膜松弛時間時，所述液滴放置時間與所述潤濕脊高度之間具有線性關系，依據(jù)其線性關系的斜率可以計算得到聚合物薄膜的黏度。本發(fā)明提供的測量方法能夠準確的測定基底支撐聚合物薄膜黏度，操作方法簡單、成本低、適應性廣。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明實施例1中PS薄膜表面潤濕脊的形貌圖；
[0037]圖2為本發(fā)明實施例1中PS薄膜表面潤濕脊形貌的橫截面圖；
[0038]圖3為本發(fā)明實施例1中不同液滴放置時間下PS薄膜表面潤濕脊形貌的橫截面圖；
[0039]圖4為本發(fā)明實施例1中PS薄膜表面潤濕脊的高度與液滴放置時間的h?t關系圖；
[0040]圖5為本發(fā)明實施例2中PS薄膜表面潤濕脊的高度與液滴放置時間的h?t關系圖；[0041 ]圖6為本發(fā)明實施例3中PS薄膜表面潤濕脊的高度與液滴放置時間的h?t關系圖；
[0042]圖7為利用本發(fā)明測量方法測得本發(fā)明實施例3中PS薄膜黏度與文獻值的比較圖；
[0043]圖8為本發(fā)明實施例4中PS薄膜表面潤濕脊的高度與液滴放置時間的h?t關系圖；
[0044]圖9為本發(fā)明實施例5中PS薄膜表面潤濕脊的高度與液滴放置時間的h?t關系圖；
[0045]圖10為本發(fā)明實施例6中PS薄膜表面潤濕脊的高度與液滴放置時間的h?t關系圖；
[0046]圖11為本發(fā)明實施例7中不同基底的PS薄膜黏度與PS薄膜厚度的關系圖。
【具體實施方式】
[0047]本發(fā)明提供了一種基底支撐聚合物薄膜黏度的測量方法，包括以下步驟:
[0048](I)將基底支撐聚合物薄膜加熱并維持溫度恒定；
[0049](2)將測試液體置于步驟(I)所述維持溫度恒定的聚合物薄膜表面，形成液滴，測定所述液滴在所述聚合物薄膜表面形成的接觸角Θ值，記錄液滴在聚合物薄膜表面放置時間t;
[0050](3)將步驟(2)中所述聚合物薄膜冷卻，除去所述聚合物薄膜表面的液滴，在所述除去液滴的聚合物薄膜表面的聚合物/液滴/空氣三相線處形成潤濕脊，測量潤濕脊的高度h；
[0051 ] (4)改變液滴在聚合物薄膜表面的放置時間t，獲得潤濕脊的高度h隨液滴放置時間t的h?t變化關系；
[0052]當所述液滴在聚合物薄膜表面的放置時間大于聚合物薄膜松弛時間時，所述液滴放置時間與所述潤濕脊的高度之間具有式I所示的線性關系；
[0053]基于式I線性關系的斜率k，根據(jù)所述式II計算得到聚合物薄膜的黏度:
[0054]h = kt+b 式I，
[0055]其中，h—潤濕脊的高度，
[0056]t一液滴在聚合物薄膜表面的放置時間，
[0057]k—斜率，
[0058]b—截距；
[0059]n = 0.37ysin9/