[发明专利]一种聚合物薄膜玻璃化转变温度的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量方法，具体是指一种用于高分子薄膜以及超薄膜的玻璃化转变温度的测量方法。

背景技术

非晶态高分子的玻璃化转变行为是高分子凝聚态物理学中的核心科学问题^[1]。玻璃化转变温度(Tg)是非晶态聚合物的一个极其重要的性能参数，它决定了材料的使用温度范围。高分子材料的力学性能取决于其使用的温度。在低于Tg时，高分子处于脆性玻璃态，此时聚合物的形变很小，弹性模量很高(≈1GPa)，呈现出刚性的玻璃体。因此，作为塑料的聚合物必须具有较高的玻璃化转变温度，以确保在室温条件下，其处于玻璃态，具有高的弹性模量。在玻璃化转变区域内，高分子的弹性模量急剧下降(从1-10GPa降至1-0.1MPa)，聚合物体现出很强的耗散性质。因此，用作减震或者隔音材料时，则要求材料的玻璃化转变温度在室温左右，以确保在室温下高分子具有较高的内耗。当温度高于Tg时，聚合物处于高弹态，此时高分子成为柔软的固体，具有很高的弹性形变，外力去除后很容易恢复。因此，橡胶的Tg必须低于室温，以确保在室温下，高分子处于高弹态。

高分子薄膜用作涂层材料，广泛的应用于封装材料，微电子器件等领域而受到越来越多的关注。在金属或者其他昂贵材料表面涂上一层高分子薄膜可以保护底层材料免受外部环境的腐蚀，从而达到保护底层材料的目的。同时，高分子涂层薄膜可以有效的改变材料的耐摩擦性能，疏水、疏油性，粘结性等表面性能。高分子薄膜的使用性能、使用寿命取决于高分子涂层材料的物理化学性质。高分子薄膜的玻璃化转变温度是指导我们选择涂层材料的首要关键参数。根据材料的使用温度以及用途，选择具有不同玻璃化转变温度的高分子薄膜。

随着技术的不断进步，器件的集成化成为技术发展的趋势，因此各种电子元件的尺寸不断在减小。40年代所使用的真空管的大小为10cm，在80年代研制的大规模集成电路中，与一只真空管具有相同功能的元件的尺寸为10μm。照这样的速度发展下去，到2020年，元件的尺寸将达到1nm，即分子的尺寸数量级。因此，高分子薄膜的厚度随着器件的尺寸的降低而不断降低，从微米级别降低到纳米级别，甚至分子水平(例如LB膜、层层组装膜)。

高分子超薄膜是指厚度在100nm以下的高分子薄膜。当薄膜厚度降低至几百纳米以下时，高分子薄膜的物理化学性质开始与其本体性质发生偏离^[2-5]。厚度越低，偏离的程度越大。高分子超薄膜的玻璃化转变温度，这一材料的最基本、最重要的物理性质也随着薄膜厚度的降低而不断发生变化^[2-5]。例如，当聚苯乙烯薄膜厚度为20nm时，PS玻璃化转变温度可以从本体值降至室温左右^[5]。当薄膜厚度降低至一定程度后，高分子超薄膜的Tg是薄膜厚度的函数，不同厚度的薄膜对应于不同的Tg。另外，底层材料与高分子之间的相互作用也将影响高分子薄膜的Tg温度。因而，不能简单的将高分子本体的Tg等同于高分子薄膜的玻璃化转变温度。在选择高分子薄膜做涂层材料时，应该根据所需涂层的厚度，以及使用温度选择具有合适Tg的高分子材料。所以，当选择10nm厚的聚苯乙烯超薄膜做为玻璃态涂层时，其使用温度就不应该高于室温。

高分子本体玻璃化转变温度的测量手段从最早的体积膨胀法到现在的界电光谱、核磁共振法经过了将近70年发展，现在基本达成共识。然而，高分子薄膜的玻璃化转变温度的测量方法的开发仅仅经历了将近20年，现在还基本处于萌芽状态^[2-4]。在现有的测量手段中，并没有一种手段获得学者们的一致认可。目前准确测量薄膜特别是超薄膜的玻璃化转变温度仍然是科学界的一大挑战。因此，开发和研究测量高分子薄膜以及超薄膜玻璃化转变温度的手段不论在理论上还是实际应用上均具有非常重要的意义。