一种基底支撑聚合物薄膜黏度的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种基底支撑聚合物薄膜黏度的测量方法。
【背景技术】
[0002]聚合物的流变性能是指导聚合物材料成型加工的重要基础。黏度(η)是非晶态聚合物的一个极其重要的物性参数，反映了聚合物熔体或者黏弹态高分子发生黏性流动的能力。黏度与材料的力学性能、耐热性、成型和加工性能以及使用寿命密切相关。例如，降低黏度可提高聚合物的加工流动性，充模过程聚合物熔体易于流过狭窄的管道，提高了制品质量，也减小了注塑机、挤出机运转所需能量;高黏度聚合物制品受热不易发生形变，具有较高的热稳定性。同时，黏度是高分子链运动的体现。研究聚合物黏度对于构建聚合物凝聚态体系的结构模型及其分子运动的物理图像也具有非常重要的理论意义。
[0003]聚合物薄膜被广泛应用于纳米材料领域。以聚合物薄膜作为载体，利用各种微纳米加工技术，可在聚合物薄膜表面制备各种纳米图案化结构，进而制备有机光电材料、微电子器件等纳米功能材料。另外，聚合物薄膜也可直接用作涂层材料应用于封装材料等领域，不仅可以保护底层材料免受外部环境侵蚀，亦可改变材料的耐摩擦性、疏水或疏油性、粘结性等表面性能。聚合物薄膜黏度决定了聚合物纳米材料的制备加工条件以及使用性能。
[0004]当聚合物薄膜厚度降低至几百纳米以下时，聚合物薄膜的物理化学性质开始与其本体性质发生偏离。厚度越低，偏离的程度越大。聚合物超薄膜的黏度也随着薄膜厚度的降低而发生变化，例如，当温度为340Κ时，9nm聚苯乙烯薄膜黏度比本体值降低大约三个数量级。聚合物薄膜的黏度是薄膜厚度的函数，不同厚度的薄膜具有不同的黏度。另外，底层材料与聚合物薄膜之间的相互作用也将影响薄膜的黏度值。研究发现，表面钝化的硅基底(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。当底层材料与聚合物薄膜具有较强相互作用时，薄膜的黏度将随膜厚降低而增大。因而，不能简单的将聚合物本体的黏度等同于聚合物薄膜的黏度。
[0005]由于传统的测量本体聚合物黏度及流变性质的方法(如流变仪)并不适用于纳米尺度聚合物薄膜黏度的研究，最近十多年间，研究学者一直致力于开发聚合物薄膜黏度的新测量方法，如通过研究聚合物表面形貌演变测量聚合物薄膜的黏度、通过“纳米鼓泡法(nano-bubble inflat1n)”研究聚合物薄膜的黏度、通过研究漂浮在甘油表面聚苯乙稀薄膜“去润湿”动力学研究薄膜黏度的厚度依赖性。然而，目前准确测量聚合物薄膜特别是基底支撑的聚合物薄膜的黏度仍然是学界的一大挑战。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种基底支撑聚合物薄膜黏度的测量方法，能够准确测定基底支撑聚合物薄膜的黏度。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]本发明提供了一种基底支撑聚合物薄膜黏度的测量方法，包括以下步骤:
[0009](I)将基底支撑聚合物薄膜加热并维持温度恒定；
[0010](2)将测试液体置于步骤(I)所述维持温度恒定的聚合物薄膜表面，形成液滴，测定所述液滴在所述聚合物薄膜表面形成的接触角Θ值，记录液滴在聚合物薄膜表面的放置时间t;
[0011](3)将步骤(2)中所述聚合物薄膜冷却，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/空气三相线处形成润湿脊，测量润湿脊的高度h；
[0012](4)改变液滴在聚合物薄膜表面的放置时间t，获得润湿脊的高度h随液滴放置时间t的h?t变化关系；
[0013]当所述液滴在聚合物薄膜表面的放置时间大于聚合物薄膜松弛时间时，所述液滴放置时间与所述润湿脊的高度之间具有式I所示的线性关系；
[0014]基于式I线性关系的斜率k，根据所述式II计算得到聚合物薄膜的黏度:
[0015]h = kt+b 式I，
[0016]其中，h—润湿脊的高度，
[0017]t一液滴在聚合物薄膜表面的放置时间，
[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—液滴的表面张力，
[0023]Θ—液滴与聚合物薄膜表面形成的接触角，
[0024]k 一式I中的斜率。
[0025]优选的，步骤(I)中所述聚合物薄膜的厚度为10?lOOOnm。
[0026]优选的，步骤(I)中所述聚合物薄膜的厚度为50?500nm。
[0027]优选的，步骤(I)中所述聚合物薄膜中聚合物为线性聚合物。
[0028]优选的，所述线性聚合物包括聚苯乙烯、聚苯乙烯衍生物、甲基丙烯酸酯类聚合物、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、氟乙烯类聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚乳酸、尼龙、聚丁二烯、聚异戊二烯、聚砜、聚醚中的一种或几种的共混物，或几种的共聚物。
[0029]优选的，步骤(I)中所述加热的温度高于聚合物的玻璃化温度。
[0030]优选的，步骤(2)中所述测试液体包括甘油、乙二醇、聚乙二醇齐聚物、聚环氧乙烷齐聚物、二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺或离子液体。
[0031]优选的，所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3甲基咪唑三氟甲基磺酸盐或1-丁基-3甲基咪唑甲基硫酸盐。
[0032]优选的，步骤(2)中所述液滴的直径为2?7_。
[0033]优选的，步骤(3)中所述冷却是采用冷却介质将所述聚合物薄膜冷却至室温；
[0034]所述冷却介质包括冰袋、液氮、干冰或低温金属板。
[0035]本发明提供了一种基底支撑聚合物薄膜黏度的测量方法，首先将基底支撑聚合物薄膜加热并维持温度恒定;然后将测试液体置于所述维持温度恒定的聚合物薄膜表面，形成液滴，并记录放置时间；将聚合物薄膜冷却，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/空气三相线处形成润湿脊，测量润湿脊的高度;改变液滴放置时间，获得润湿脊高度随液滴放置时间的变化关系，当所述液滴在聚合物薄膜表面的放置时间大于聚合物薄膜松弛时间时，所述液滴放置时间与所述润湿脊高度之间具有线性关系，依据其线性关系的斜率可以计算得到聚合物薄膜的黏度。本发明提供的测量方法能够准确的测定基底支撑聚合物薄膜黏度，操作方法简单、成本低、适应性广。
【附图说明】
[0036]图1为本发明实施例1中PS薄膜表面润湿脊的形貌图；
[0037]图2为本发明实施例1中PS薄膜表面润湿脊形貌的横截面图；
[0038]图3为本发明实施例1中不同液滴放置时间下PS薄膜表面润湿脊形貌的横截面图；
[0039]图4为本发明实施例1中PS薄膜表面润湿脊的高度与液滴放置时间的h?t关系图；
[0040]图5为本发明实施例2中PS薄膜表面润湿脊的高度与液滴放置时间的h?t关系图；[0041 ]图6为本发明实施例3中PS薄膜表面润湿脊的高度与液滴放置时间的h?t关系图；
[0042]图7为利用本发明测量方法测得本发明实施例3中PS薄膜黏度与文献值的比较图；
[0043]图8为本发明实施例4中PS薄膜表面润湿脊的高度与液滴放置时间的h?t关系图；
[0044]图9为本发明实施例5中PS薄膜表面润湿脊的高度与液滴放置时间的h?t关系图；
[0045]图10为本发明实施例6中PS薄膜表面润湿脊的高度与液滴放置时间的h?t关系图；
[0046]图11为本发明实施例7中不同基底的PS薄膜黏度与PS薄膜厚度的关系图。
【具体实施方式】
[0047]本发明提供了一种基底支撑聚合物薄膜黏度的测量方法，包括以下步骤:
[0048](I)将基底支撑聚合物薄膜加热并维持温度恒定；
[0049](2)将测试液体置于步骤(I)所述维持温度恒定的聚合物薄膜表面，形成液滴，测定所述液滴在所述聚合物薄膜表面形成的接触角Θ值，记录液滴在聚合物薄膜表面放置时间t;
[0050](3)将步骤(2)中所述聚合物薄膜冷却，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/空气三相线处形成润湿脊，测量润湿脊的高度h；
[0051 ] (4)改变液滴在聚合物薄膜表面的放置时间t，获得润湿脊的高度h随液滴放置时间t的h?t变化关系；
[0052]当所述液滴在聚合物薄膜表面的放置时间大于聚合物薄膜松弛时间时，所述液滴放置时间与所述润湿脊的高度之间具有式I所示的线性关系；
[0053]基于式I线性关系的斜率k，根据所述式II计算得到聚合物薄膜的黏度:
[0054]h = kt+b 式I，
[0055]其中，h—润湿脊的高度，
[0056]t一液滴在聚合物薄膜表面的放置时间，
[0057]k—斜率，
[0058]b—截距；
[0059]n = 0.37ysin9/