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寧波大學(xué)徐玉賜教授課題組 Macromolecules: 兩嵌段共聚物在高分子溶劑中的“濕” 、“干”膠束
2023-08-29  來源:高分子科技

  兩親性分子在選擇性溶劑中會(huì)組裝形成膠束,聚合物由于其可控的分子量及突出的性能備受人們關(guān)注。兩親性的高分子在選擇性的溶劑中也能形成尺寸可控的膠束,這使得高分子膠束在藥物的包裹與釋放、納米反應(yīng)器及封裝材料等領(lǐng)域具有突出的應(yīng)用前景;另一方面,嵌段共聚物經(jīng)常作為增容劑用于聚合物的加工中,而在共混中膠束的形成往往會(huì)降低嵌段共聚物的增容效果,因此計(jì)算膠束的自由能,得到膠束的形成條件對(duì)加工過程至關(guān)重要。



  近日,寧波大學(xué)徐玉賜課題組結(jié)合解析的Lifshitz和強(qiáng)分凝理論及數(shù)值的自洽場(chǎng)理論研究?jī)汕抖喂簿畚镌诓煌滈L下的高分子溶劑中的膠束化行為。發(fā)現(xiàn)了在小分子及高分子溶劑中,由于溶劑分子的作用,分別形成“濕”、“干”膠束;通過計(jì)算得到膠束在各種條件下的自由能,得到了鏈長對(duì)轉(zhuǎn)變點(diǎn)的影響;提出了相應(yīng)標(biāo)度參數(shù),并統(tǒng)一了“濕”、“干”膠束鏈長依賴關(guān)系。具體如下: 在短鏈的溶劑中,由于溶劑分子能夠進(jìn)入到膠束核中,形成了“濕”膠束,運(yùn)用Lifshitz論得到的臨界膠束轉(zhuǎn)變與鏈長的依賴關(guān)系為,其中fB為不溶段的體積分?jǐn)?shù),N1為兩嵌段高分子的鏈長,而N為高分子溶劑的鏈長。轉(zhuǎn)變點(diǎn)處膠束的聚集數(shù)大概在100根鏈以下,具體的關(guān)系為,理論推導(dǎo)過程詳見文章,這些解析的結(jié)果也被他們數(shù)值計(jì)算所證實(shí)(圖1)。 


1:短鏈溶劑中,溶劑鏈長及嵌段共聚物鏈長對(duì)轉(zhuǎn)變點(diǎn)的影響。


  而在長鏈溶劑中,他們直接運(yùn)用自洽場(chǎng)理論研究其膠束化行為,計(jì)算表明膠束的尺寸變大,鏈的聚集數(shù)能高達(dá)上千根,而且由于溶劑太長,不能進(jìn)入到膠束中,因此得到了“干”膠束,對(duì)于的臨界膠束轉(zhuǎn)變點(diǎn)也與短鏈的時(shí)候也明顯不同,為(圖2)。這些計(jì)算結(jié)果也與強(qiáng)分凝理論吻合(理論推導(dǎo)詳見文章)。 


2:長鏈溶劑中,臨界膠束轉(zhuǎn)變與鏈長的關(guān)系。


  值得注意的是,雖然在短鏈和長鏈的情況下,轉(zhuǎn)變點(diǎn)與鏈長各自的依賴關(guān)系不同,但是都具有相同的組合。更有意思的是,結(jié)合鏈的數(shù)目,他們發(fā)現(xiàn)“濕”、“干”膠束的轉(zhuǎn)變點(diǎn)依次為:。同樣的,這兩個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)也包含一個(gè)同樣的標(biāo)度參數(shù)。通過這兩個(gè)標(biāo)度參數(shù),他們可以將轉(zhuǎn)變點(diǎn)與鏈長的依賴關(guān)系很好的統(tǒng)一起來,如圖3所示。 


3:轉(zhuǎn)變點(diǎn)統(tǒng)一的鏈長標(biāo)度關(guān)系。

  

  另外,這個(gè)標(biāo)度參數(shù)具有非常明確的物理含義:分子項(xiàng)為溶劑分子所占據(jù)的體積,而分母項(xiàng)是膠束核的物理體積。當(dāng)溶劑所占據(jù)的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于膠束核的體積時(shí)(),溶劑分子能夠進(jìn)入膠束核,從而形成“濕”膠束,當(dāng)溶劑體積過大時(shí)(),則很難進(jìn)入膠束核,從而導(dǎo)致“干”膠束的形成,因此他們將這個(gè)標(biāo)度參數(shù)定義為特征的標(biāo)度參數(shù),而將定義為表觀標(biāo)度參數(shù),因其正好是溶劑鏈長與不溶段鏈長的比,實(shí)驗(yàn)上容易控制。而根據(jù)提出的兩個(gè)標(biāo)度參數(shù),他們發(fā)現(xiàn),膠束的密度分布及膠束的界面都表現(xiàn)出統(tǒng)一的標(biāo)度關(guān)系(圖4)。 


圖4:“濕”、“干”膠束界面寬度的普適鏈長依賴關(guān)系。

  相關(guān)工作以“Micellization of Diblock Copolymers in Polymeric Solvents”為題發(fā)表在《Macromolecules》上。文章第一作者為寧波大學(xué)碩士生刁亞鵬,通訊作者為徐玉賜教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持(21973051)。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c00283

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