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研究生: 葉昭麟
Yeh, Chao Lin
論文名稱: 嵌段共聚合物之特殊相轉化現象研究
Special Phase Transition Behavior of Block Copolymers
指導教授: 陳信龍
Chen, Hsin Lung
口試委員: 蘇安仲
蘇群仁
曹正熙
陳俊太
學位類別: 博士
Doctor
系所名稱: 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 116
中文關鍵詞: 低臨界有序化小角度散射嵌狀共聚合物相轉化現象相行為相圖界面活性劑結晶動力學熱力學
外文關鍵詞: lower critical ordering transition, P4VP, DBSA
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  • 摘要
    本論文主要探討嵌段共聚合物的特殊相轉化現象,包括低臨界有序化(lower critical ordering transition,LCOT)及球形微相之晶格結構和有序-有序轉化(order-order transiton)。我們利用變溫小角度X-光散射揭露了可以呈現LCOT行為的新系統,此嵌段共聚合物是由poly(ethylene oxide) (PEO) 與poly(2-vinylpyridine) (P2VP)或P4VP鏈段所組成,本研究深入探討共聚物組成及分子量對於該相轉化溫度的影響,另外利用高分子摻合體之熱力學理論計算相圖,證實這些共聚物系統的LCOT特性。透過PEO-b-P2VP及PEO-b-P4VP系統的比較,我們進一步解析了pyridine基團些微的化學構造差異性對於LCOT相圖的巨大影響。
    我們亦將具有LCOT相行為的嵌段共聚合物PEO-b-P2VP跟界面活性劑DBSA錯合,形成超分子comb-coil嵌段共聚合物,我們利用SAXS解析該共聚物之階層性奈米結構,並揭露結構對於PEO鏈段結晶動力學的影響。本研究亦從變溫SAXS實驗中發現,PEO-b-P2VP的相轉化行為受到DBSA的錯合而產生改變,在錯合DBSA之後,從LCOT轉變為UCOT相行為。
    最後,我們深入研討PEO-b-PB/PB均聚物摻合體球形微相的熱力學的平衡態結構,我們將摻合體加溫至無序態,以去除樣品所有的履歷,再降溫偵測共聚物從無序態中自組裝的結構。我們利用小角度X光散射圖譜揭露,在TODT以下的溫度,PEO鏈段確實會形成CPS相,然而,不同於之前所觀察的FCC排列,我們發現從無序態形成的PEO球形微相是以hcp晶格排列,此結果暗示hcp相的自由能比FCC相低,是嵌段共聚物CPS相中的平衡晶格結構。


    Abstract
    This dissertation investigates the special phase transition behavior of block copolymers, including the unusual lower critical ordering transition (LCOT) and the order-order transition of the macrolattice of the spherical microdomains. Temperaure-dependent small angle X-ray scattering (SAXS) was employed to reveal the LCOT behavior of a new block copolymer system composed of poly(ethylene oxide) (PEO) and poly(vinyl pyridine) (P2VP and P4VP) blocks. We have studied the effects of copolymer composoiton and molecular weight on the phase transition temperature; moreover, a thermodynamic theory considering the compressibility of the constituents was adopted to calauclate the phase diagrams of PEO/P2VP and PEO/P4VP blends. Through comparing the phase diagrams and experimentally measured disorder-to-order transition (DOT) temperatures of the two system, the drastic effect of the structure of the pyridine moiety in PVP has been revealed.
    We further studied the hierarchical structure and phase behavior of the supramolecular comb-coil block copolymer formed by the complexation of the P2VP block in PEO-b-P2VP with an amphiphilic surfactant dodecylbenzene sulfonic acid (DBSA). It was found that the crystallization kinetics of PEO blocks in the system exhibited a distinct correlation with the hierarchical structure of the comb-coil copolymer. The phase transition behavior of PEO-b-P2VP was also modified by the complexation with DBSA, where the original LCOT behavior transformed to UCOT type when the binding frcaton was sufficiently high.
    Finally, we investigated the packing lattice of the PEO spherical microdomains formed in the blend of poly(ethylene oxide)-block-poly(1,4-butadiene) (PEO-b-PB) and PB homopolymer (h-PB). The sphere-forming blend was first heated to the disordered micelle state followed by cooling below TODT. It was found that PEO spherical microdomains packed in the closely-packed lattice. In contrast to the previously observed face-centered cubic (FCC) packing, the spherical domains packed into the hexagonal closely-packed (hcp) lattice. The result implies that the free energy of hcp phase is lower than that of FCC phase and may henve represent the stable CPS structure for block copolymer blends.

    目錄 中文摘要…………………………………………………………………...…………………………I ABSTRACT…………………………………………………………………..……………………...II 誌謝…………….…………………………………………………………………………………IV 目錄………………………………………………………………………………………………... VI 圖目錄……………………………………………………………………………………………VIII 表目錄……………………………………………………………………………………………XII 第一章、前言 ……………………………………………………………………………………1 第二章、PEO-B-P2VP之低臨界有序化(LCOT)行為…………………………………………9 2-1 簡介 9 2-2 材料與實驗樣品之製備程序 17 2-2-1 材料 17 2-2-2 實驗樣品之製備程序 17 2-3 實驗儀器原理與條件 17 2-4 結果與討論 19 2-5 結論 27 2-6 參考文獻 34 第三章、PEO-B-P4VP之LCOT相行為及其與PEO-B-P2VP相行為之比較……………35 3-1 文獻回顧 35 3-2 材料與實驗樣品之製備程序 39 3-2-1 材料 39 3-2-2 實驗樣品之製備程序 39 3-3 實驗儀器原理與條件 40 3-4 結果與討論 41 3-4-1 PEO-b-P4VP之相行為 41 3-4-2 PEO-b-P4VP與PEO-b-P2VP之相行為比較 46 3-4-3 利用Blend系統之理論相圖來探討PEO-b-P4VP之相行為 49 3-5 結論………………………………………………………………………………………….62 3-6 參考文獻…………………………………………………………………………………….63 第四章、超分子梳狀-捲曲嵌段共聚合物PEO-B-P2VP(DBSA)的結晶行為與自組裝結構.74 4-1 簡介 74 4-2 材料與實驗樣品之製備程序 81 4-2-1 材料 81 4-2-2超分子comb-coil嵌段共聚合物的製備 81 4-2-3實驗儀器原理與條件 82 4-3 結果與討論 84 4-3-1 超分子comb-coil嵌段共聚合物PEO-b-P2VP(DBSA)x中PEO鏈段的結晶行為 84 4-3-2 超分子comb-coil嵌段共聚合物PEO-b-P2VP(DBSA)的微相分離形態 87 4-3-3 超分子comb-coil嵌段共聚合物PEO-b-P2VP(DBSA)的熱誘導相轉化行為 90 4-4 結論 92 4-5 參考文獻 93 第五章、嵌段共聚合物/均聚物摻合體之最密堆積圓球結構…………………………….…102 5-1 簡介 102 5-2實驗部分 104 5-2-1 材料 104 5-2-2小角度X光散射(small angle X-ray scattering, SAXS)量測實驗 104 5-3 結果與討論 107 5-4 結論 109 5-5 參考文獻 109 附錄………………………………………………………………………………………………116 圖目錄 圖 1.1. 根據均場理論計算的團聯式共聚合物之相圖以及其結構意識圖………………………5 圖 1.2. 高分子鏈架構的分類……………………………………………………………………6 圖 1.3. 高分子-界面活性劑錯合物之形態………………………………………………………7 圖 1.4. 結構中有結構的階層性結構……………………………………………………………8 圖2-1.1. (a) PS-b-PnBMA(Mw=68 000)在升溫過程中之小角度X-ray散射圖譜(Temperature-dependent SAXS profiles),(b) 分子量較高(Mw=99 000)的PS-b-PnBMA,在升溫過程中之小角度X-ray散射圖譜。………………………………………………………………14 圖2-1.2. (a) PS-b-PnBMA(Mw=99 000)之相圖的簡單示意圖,(b) 不同分子量之PS-b-PnBMA的相圖示意圖。……………………………………………………………………………………15 圖2-1.3. PS-b-PnPMA在升溫過程中之小角度X-ray散射圖譜(Temperature-dependent SAXS profiles)。圖中我們可以明顯地觀察到有一個散射峰隨著溫度升高而出現,然後在更高溫度消失。………………………………………………………………………………………………16 圖2-1.4. PS-b-PnPMA之相圖的簡單示意圖,(a)隨分子量變化之關係圖(b)隨體積分率變化之關係圖。…………………………………………………………………………………………16 圖2-4.1. (a)具有對稱組成的PEO-b-P2VP(fPEO~0.49)之變溫的小角度X-ray散射圖譜(Temperature-dependent SAXS profiles),我們首先先讓共聚合物經過一系列的升溫程序,接續著進行降溫程序,並同時收集其散射的數據。(b)PEO-b-P2VP在更高溫度(230-300℃)之小角度散射圖譜,圖中我們可以明顯地看到隨著溫度的上升,各級散射峰的強度也跟著增加。…29 圖2-4.2. 具有非對稱組成的PEO-b-P2VP(fPEO~0.16)之變溫的小角度X-ray散射圖譜(Temperature-dependent SAXS profiles),我們首先先讓共聚合物經過一系列的升溫程序,接續著進行降溫程序,並同時收集其散射的數據。……………………………………………………30 圖2-4.3. 對稱與非對稱組成的PEO-b-P2VP,在實驗的升降溫過程中,其散射強度倒數與溫度之倒數作圖(Im-1 v.s. T-1)。利用此圖,我們可以求得兩個不同之組成的PEO-b-P2VP之無序-有序相轉移溫度(TDOT)。……………………………………………………………………………31 圖2-4.4. 利用簡單的理論計算出之PEO/P2VP高分子摻合物系統的理論相圖。(a)具有對稱分子量的組合,(b)具有非對稱分子量的組合。為了方便討論與比較,我們除了算出與PEO-b-P2VP高分子共聚合物系統相同之分子量之外(包括40000/40000與20000/100000)之外,我們也算出了分子量小五倍的情況,分別為8000/8000與4000/20000。………………………………………………………………………………………32 圖2-4.5. 均聚物摻合物系統(polymer blends)與嵌段共聚合物系統(block copolymers)在發生相分離或微相分離前後之分子示意圖。由兩圖之比較,我們可以明顯的發現,在共聚合物的系統中,當微相分離發生時,我們還需要額外考慮到因conformational entropy減少導致之自由能上升的情況。……………………………………………………………………………………33 圖3-4.1. 有較對稱組成之PEO-b-P4VP(5000-7200)(fPEO~0.4)經過一連串的升溫與降溫的過程所量測到的變溫小角度X光散射圖譜…………………………………………………………64 圖3-4.2. 主要散射峰(Im-1)的強度之倒數對絕對溫度(T-1)之倒數作圖求得無序-有序相轉化溫度(TDOT)。……………………………………………………………………………………………65 圖 3-4.3. 非對稱(asymmetric)組成之PEO-b-P4VP(2000- 10000)經過一連串的升溫與降溫的過 程所量測到的變溫小角度散射圖譜。……………………………………………………………66 圖 3-4.4. PEO/P4VP(5000/7200)與PEO/P4VP(2000/10000)之高分子摻合物之計算相圖(詳見內 文)。…………………………………………………………………………………………………68 圖 3-4.5. 固定α與 ,只改變純的P4VP在絕對零度下之密度(ρ*)對於整個相圖之影響……………………………………………………………………………………………………69 圖 3-4.6. 固定ρ*與 ,只改變純的P4VP之熱膨脹係數(α)對於整個相圖之影響……………………………………………………………………………………………………70 圖 3-4.7. 固定ρ*與α,只改變純的P4VP之室溫下之溶解度參數( )對於整個相圖之影響……………………………………………………………………………………………………71 圖 3-4.8. (a) PEO/P4VP(5000/7200) 與(b)PEO/P2VP(5000/7200)經由理論計算而得之相圖(假設P2VP與P4VP之溶解度參數完全相同)。……………………………………………………73 圖 3-4.9. (a) PEO/P4VP(5000/7200) 與(b)PEO/P2VP(5000/7200)經由理論計算而得之相圖(利用節段作用力參數方程式算出的溶解度參數)。……………………………………………73 圖 4-1.1. coil-coil diblock copolymer A與B鏈段微相分離示意圖及微相分離所產生的長程規則性微相形態。………………………………………………………………………………………78 圖 4-1.2. 數種分子架構雙嵌段共聚物之分子示圖………………………………………..…… 78 圖 4-1.3. comb-coil聚物自組裝成的cylinder-within-lamellae的階層性結構。…………………79 圖 4-1.4. 利用coil-coil雙嵌段共聚物其中一鏈段與一雙親性小分子錯合,製備出comb-coil嵌段共物………………………………………………………………………………………………79 圖 4-1.5. Comb-coil 嵌段共聚物豐富之階層性自組裝結構,包括lamellae-within-lamellae、lamellae-within-cylinder、cylinder-within-lamellae、sphere-within-lamellae與lamellae-within-sphere等。……………………………………………………………………………………………80 圖 4-1.6. PS-b-P4VP(DBSA) comb-coil系統,P4VP(DBSA) comb 鏈段在較低接枝密度時,PS鏈鍛所組裝成的圓柱微相形成一極不尋常的四面堆疊排列,由左至右為TEM影像(圓柱體之上視圖)、SAXS 2-D pattern與圓柱體之上視示意圖。由結果可知PS圓柱體呈現四面堆疊排列。…………………………………………………………………………………………………80 圖 4-3.1. PEO-b-P2VP的DSC圖譜。……………………………………………………………95 圖 4-3.2. PEO-b-P2VP(DBSA) x=0.25, 0.5及0.7的DSC圖譜…………………………………96 圖 4-3.3. Tf v.s. x作圖. 此圖說明PEO-b-P2VP(DBSA) x的結晶溫度(Tf)隨著總接枝比率(x)不同的變化。…………………………………………………………………………………………98 圖 4-3.4. 各種不同總接枝分率x的超分子梳狀-捲曲雙團聯式共聚合物PEO-b-P2VP(DBSA) x在低散射向量區(the low-q region)的SAXS圖譜。……………………………………………99 圖 4-3.5. 純PEO-b-P2VP 之變溫SAXS圖譜。………………………………………………100 圖 4-3-6. PEO-b-P2VP(DBSA) x之變溫SAXS圖譜: (a)初鑄樣品之室溫圖譜;(b)加熱至70 oC之圖譜;(c)再冷卻至室溫之圖譜………………………………………………101 圖 5-2.1(a). as-cast摻合體與annealed摻合體的在小角度x光散射量測實驗中的溫度計畫圖………………………………………………………………………………………………106 圖 5-2.1(b). 無序結構的溫度區間到FCC"程序在小角度x光散射量測實驗中的溫度計畫圖…………………………………………………………………………………………………106 圖 5-3.1. PEO鏈段體積分率為0.17的as-cast PEO-b-PB/h-PB 摻合體之變溫小角度X光散射數據圖……………………………………………………………………………………………111 圖 5-3.2. PEO鏈段體積分率為0.17且經過-20℃ anneal八個小時的PEO-b-PB/h-PB 摻合體之變溫小角度X光散射數據圖………………………………………………………………112 圖 5-3.3. PEO鏈段體積分率為0.17 as-cast PEO-b-PB/h-PB 摻合體之變溫小角度X光散射數據圖表。摻合體首先被直接加熱至250℃形成無序的球型結構,接著驟冷至200℃。……113 圖 5-3.4. (a) PEO-b-PB/h-PB 摻合體從無序態降至200 oC之SAXS圖譜與與hcp結構計算圖譜之比較;(b) PEO-b-PB/h-PB 摻合體從無序態降至30 oC之SAXS圖譜與與hcp結構計算圖譜之比較………………………………………………………………………………………114 圖 5-3.5. FCC與HCP之間的結構意識圖比較。………………………………………………115 表目錄 表2-4.1. 用於計算PEO/P2VP高分子摻合物系統之理論計算的相圖所使用之ㄧ些PEO與P2VP的物理特性參數值。a.此些數值來自於參考文獻4 b.此些數值利用基團貢獻理論(group contribution)計算而得。………………………………………………………………………28 表3-4.1. 用於計算PEO/P4VP高分子摻合物系統之理論計算的相圖所使用之ㄧ些PEO與P4VP的物理特性參數值。………………………………………………………………67 表3-4.2. 用於計算PEO/P4VP高分子摻合物系統之理論計算的相圖所使用之ㄧ些PEO,P2VP與P4VP的物理特性參數值。………………………………………………………………72 表4-2.1. 本研究中的超分子comb-coil嵌段共聚合物PEO-b-P2VP(DBSA)x,其總接枝分率(Overall Binding Fraction,x)與相對應的PEO鏈段的體積分率(Volume Fractions, fPEO)。……84 表4-3.1. PEO-b-P2VP(DBSA) x的結晶溫度隨著總接枝比率(the overall binding fraction, x)不同的變化。…………………………………………………………………………………………97

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