一种用于原位测量聚合物薄膜中溶剂蒸汽膨胀的装置的制作方法

本发明涉及高分子材料加工及材料结构表征相关领域，特别是一种对聚合物样品进行溶剂蒸汽退火并原位测量其膨胀的一种用于原位测量聚合物薄膜中溶剂蒸汽膨胀的装置。

背景技术：

众所周知，高分子聚合物与某些可以与其共存的液体或溶剂蒸汽接触时会产生膨胀，聚合物的膨胀行为已经被应用于光刻和离子交换等领域，其中，利用聚合物在溶剂蒸汽中的膨胀来得到长程纳米尺度有序的双嵌段共聚物薄膜的方法称为溶剂蒸汽退火(SVA)或溶剂退火。溶剂退火是一种常用的对薄膜进行退火的方法，即用溶剂蒸汽来溶胀共聚物薄膜以赋予高分子链一定的运动能力。近些年，科学家通过设计出多种不同的退火装置以提供不同的溶剂蒸汽环境对共聚物薄膜进行退火处理，虽然不同的退火装置对前期薄膜溶胀过程所起到的作用基本相同，但是会带来后期溶剂挥发过程的差异，同时溶剂退火后期溶剂去除速度对于高分子链的冻结过程是有影响的。可见，涉及到溶剂蒸汽膨胀的聚合物加工技术在工艺控制上是极具挑战性的，而且，目前的技术手段对溶剂膨胀薄膜的研究缺少显微学的细节。

研究溶剂蒸汽退火过程的一个关键技术阻碍是原位监控膨胀过程的能力有限，通常使用石英晶体微天平(QCM)或者光学计量学方法来检测聚合物薄膜中溶剂的吸收，但是在溶剂蒸汽退火过程中不能监控结构的变化、结构的势能不均一性、以及薄膜的机械特性等重要的信息，通常使用掠入射X射线散射来研究双嵌段共聚物膨胀过程中出现的透明的纳米结构，但是该方法不能以空间分辨的方式描述分子运动，目前没有能同时得到膜厚和结构或动力学信息的实验方法。所述一种用于原位测量聚合物薄膜中溶剂蒸汽膨胀的装置能解决该问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明能够将溶剂蒸汽可控地传递到聚合物薄膜样品上进行溶剂蒸汽退火，并同时测量样品在溶剂蒸汽退火过程中的多种特性。所述氮气灌II经过所述流量控制器III通入所述样品腔体，能够调节所述流量控制器III直接输入所述氮气灌II中的氮气到所述样品腔体，以同时保持总氮气流速相同。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种用于原位测量聚合物薄膜中溶剂蒸汽膨胀的装置主要包括氮气罐I、流量控制器I、溶剂罐I、流量控制器II、溶剂罐II、混合室、样品腔体、样品腔底、样品腔盖、石英晶体微天平、样品I、样品II、荧光显微镜的物镜、计算机、溶剂回收器、氮气灌II、流量控制器III、气管及阀、一系列流量控制器气流系统，所述样品I、样品II为同样的待测聚合物薄膜，氮气从所述氮气罐出来后分成两路，一路经过所述流量控制器I和溶剂罐I，一路经过所述流量控制器II和溶剂罐II，然后两路气体都通入所述混合室、之后通过由针阀控制的气体入口通入所述样品腔体一侧，所述样品腔体另一侧具有由针阀控制的气体出口且连通所述溶剂回收器，所述样品腔体的下方具有所述样品腔底、上方具有所述样品腔盖且均为金属材质并通过全氟橡胶密封圈及螺丝连接成一体，所述样品腔底中心部分是透明玻璃，所有气管与阀的连接处均缠有特氟龙胶带，还包括宽场落射荧光显微镜、用作激发光的连续波长488nm光、一个油浸物镜、一系列滤光片、一个用于图像采集CCD摄像机，根据实验的需要可以使用单个溶剂罐中的混合液体的蒸汽，也可以使用不同溶剂罐中的单一溶剂的蒸汽混合。

所述氮气灌II经过所述流量控制器III通入所述样品腔体，能够调节所述流量控制器III直接输入所述氮气灌II中的氮气到所述样品腔体，以同时保持总氮气流速相同，所述样品腔盖下方中心安装有所述石英晶体微天平，所述荧光显微镜的物镜位于所述样品腔底中心正下方，所述石英晶体微天平通过贯穿所述样品腔盖的电缆连接所述计算机。对于实验中薄膜膨胀过度的情况下，需要缓慢地降低管路中的溶剂蒸汽压，调节所述流量控制器I或流量控制器II使得溶剂这路的流速降低，并能够调节所述流量控制器III直接输入所述氮气灌II中的氮气到所述样品腔体，以同时保持总氮气流速相同。

所述石英晶体微天平的作用机理：

理论上，椭偏仪或干涉仪等基于光学技术的用于成像的仪器也可以用来监控薄膜的膨胀，但是，这样会使得荧光图像变得复杂，而且，待成像的薄膜必须制备在一个盖玻片上，使用椭偏仪或干涉仪成像效果并不理想。因此，若薄膜的厚度和膨胀通过置于所述石英晶体微天平上的样品的平行测量来得到，不会对成像有干涉，而且所述石英晶体微天平结构紧凑且易于操作，同时，所述石英晶体微天平可以得到样品薄膜粘弹性的信息。

关于使用混合溶剂蒸汽的说明：可以使用单个溶剂罐中的混合液体的蒸汽，也可以使用不同溶剂罐中的单一溶剂的蒸汽混合，因为使用分离的溶剂罐更容易控制蒸汽分压，当使用溶剂蒸汽的混合时，更推荐这种方法。但是，非二进制的混合在技术上困难且成本较高，因为需要多个流量控制器，这种情况下，使用混合液体容器会有优势，每种混合比例的液体-蒸汽平衡需要提前确定。

本发明的有益效果是：

本发明设计特点为：流量控制的溶剂蒸汽传输系统用于精确控制样品上的溶剂量；贴合于所述石英晶体微天平下面的所述样品I可以对其膨胀程度进行实时测量；对照置于所述样品腔底中心的透明玻璃上方的所述样品II，所述荧光显微镜的物镜能够实时的研究膨胀，能够在实验条件可控的情况下，同时测量聚合物薄膜膨胀、粘弹性、结构、动力学等方面的特性；能够调节所述流量控制器III直接输入所述氮气灌II中的氮气到所述样品腔体，以同时保持总氮气流速相同。

附图说明

下面结合本发明的图形进一步说明：

图1是本发明装置构造示意图。

图中，1.氮气罐，2.流量控制器I，3.溶剂罐I，4.流量控制器II，5.溶剂罐II，6.混合室，7.样品腔体，8.样品腔底，9.样品腔盖，10.石英晶体微天平(QCM)，11.样品I，12.样品II，13.荧光显微镜的物镜，14.计算机，15.溶剂回收器，16.氮气灌II，17.流量控制器III。

具体实施方式

如图1是本发明装置构造示意图，主要包括氮气罐I 1、流量控制器I 2、溶剂罐I 3、流量控制器II 4、溶剂罐II 5、混合室6、样品腔体7、样品腔底8、样品腔盖8、石英晶体微天平10、样品I 11、样品II 12、荧光显微镜的物镜13、计算机14、溶剂回收器15、氮气灌II 16、流量控制器III 17、气管及阀、一系列流量控制器气流系统，所述样品I 11、样品II 12为同样的待测聚合物薄膜，氮气从所述氮气罐1出来后分成两路，一路经过所述流量控制器I 2和溶剂罐I 3，一路经过所述流量控制器II 4和溶剂罐II 5，然后两路气体都通入所述混合室6、之后通过由针阀控制的气体入口通入所述样品腔体7一侧，所述样品腔体7另一侧具有由针阀控制的气体出口且连通所述溶剂回收器15，所述样品腔体7的下方具有所述样品腔底8、上方具有所述样品腔盖9且均为金属材质并通过全氟橡胶密封圈及螺丝连接成一体，所述样品腔底8中心部分是透明玻璃，所有气管与阀的连接处均缠有特氟龙胶带，还包括宽场落射荧光显微镜、用作激发光的连续波长488nm光、一个油浸物镜、一系列滤光片、一个用于图像采集CCD摄像机，根据实验的需要可以使用单个溶剂罐中的混合液体的蒸汽，也可以使用不同溶剂罐中的单一溶剂的蒸汽混合；所述氮气灌II 16经过所述流量控制器III 17通入所述样品腔体7，能够调节所述流量控制器III(17)直接输入所述氮气灌II(16)中的氮气到所述样品腔体(7)，以同时保持总氮气流速相同，所述样品腔盖9下方中心安装有所述石英晶体微天平10，所述荧光显微镜的物镜13位于所述样品腔底8中心正下方，所述石英晶体微天平10通过贯穿所述样品腔盖9的电缆连接所述计算机14。

所述一种用于原位测量聚合物薄膜中溶剂蒸汽膨胀的装置主要包括氮气罐I 1、流量控制器I 2、溶剂罐I 3、流量控制器II 4、溶剂罐II 5、混合室6、样品腔体7、样品腔底8、样品腔盖8、石英晶体微天平10、样品I 11、样品II 12、荧光显微镜的物镜13、计算机14、溶剂回收器15、氮气灌II 16、流量控制器III 17、气管及阀、一系列流量控制器气流系统，所述样品I 11、样品II 12为同样的待测聚合物薄膜，氮气从所述氮气罐1出来后分成两路，一路经过所述流量控制器I 2和溶剂罐I 3，一路经过所述流量控制器II 4和溶剂罐II 5，然后两路气体都通入所述混合室6、之后通过由针阀控制的气体入口通入所述样品腔体7一侧，所述样品腔体7另一侧具有由针阀控制的气体出口且连通所述溶剂回收器15，所述样品腔体7的下方具有所述样品腔底8、上方具有所述样品腔盖9且均为金属材质并通过全氟橡胶密封圈及螺丝连接成一体，所述样品腔底8中心部分是透明玻璃，所有气管与阀的连接处均缠有特氟龙胶带，还包括宽场落射荧光显微镜、用作激发光的连续波长488nm光、一个油浸物镜、一系列滤光片、一个用于图像采集CCD摄像机，根据实验的需要可以使用单个溶剂罐中的混合液体的蒸汽，也可以使用不同溶剂罐中的单一溶剂的蒸汽混合；

所述氮气灌II 16经过所述流量控制器III 17通入所述样品腔体7，能够调节所述流量控制器III(17)直接输入所述氮气灌II(16)中的氮气到所述样品腔体(7)，以同时保持总氮气流速相同，所述样品腔盖9下方中心安装有所述石英晶体微天平10，所述荧光显微镜的物镜13位于所述样品腔底8中心正下方，所述石英晶体微天平10通过贯穿所述样品腔盖9的电缆连接所述计算机14。

对于实验中薄膜膨胀过度的情况下，需要缓慢地降低管路中的溶剂蒸汽压，调节所述流量控制器I 2或流量控制器II 4使得溶剂这路的流速降低，并能够调节所述流量控制器III 17直接输入所述氮气灌II 16中的氮气到所述样品腔体7，以能够同时保持总氮气流速相同。

所述石英晶体微天平10的作用机理：

理论上，椭偏仪或干涉仪等基于光学技术的用于成像的仪器也可以用来监控薄膜的膨胀，但是，这样会使得荧光图像变得复杂，而且，待成像的薄膜必须制备在一个盖玻片上，使用椭偏仪或干涉仪成像效果并不理想。因此，若薄膜的厚度和膨胀通过置于所述石英晶体微天平10上的样品的平行测量来得到，不会对成像有干涉，而且所述石英晶体微天平10结构紧凑且易于操作，同时，所述石英晶体微天平10可以得到样品薄膜粘弹性的信息。

关于使用混合溶剂蒸汽的说明：可以使用单个溶剂罐中的混合液体的蒸汽，也可以使用不同溶剂罐中的单一溶剂的蒸汽混合，因为使用分离的溶剂罐更容易控制蒸汽分压，当使用溶剂蒸汽的混合时，更推荐这种方法。但是，非二进制的混合在技术上困难且成本较高，因为需要多个流量控制器，这种情况下，使用混合液体容器会有优势，每种混合比例的液体-蒸汽平衡需要提前确定。