一種用于原位測量聚合物薄膜中溶劑蒸汽膨脹的裝置的制作方法

本發明涉及高分子材料加工及材料結構表征相關領域，特別是一種對聚合物樣品進行溶劑蒸汽退火并原位測量其膨脹的一種用于原位測量聚合物薄膜中溶劑蒸汽膨脹的裝置。

背景技術：

眾所周知，高分子聚合物與某些可以與其共存的液體或溶劑蒸汽接觸時會產生膨脹，聚合物的膨脹行為已經被應用于光刻和離子交換等領域，其中，利用聚合物在溶劑蒸汽中的膨脹來得到長程納米尺度有序的雙嵌段共聚物薄膜的方法稱為溶劑蒸汽退火(SVA)或溶劑退火。溶劑退火是一種常用的對薄膜進行退火的方法，即用溶劑蒸汽來溶脹共聚物薄膜以賦予高分子鏈一定的運動能力。近些年，科學家通過設計出多種不同的退火裝置以提供不同的溶劑蒸汽環境對共聚物薄膜進行退火處理，雖然不同的退火裝置對前期薄膜溶脹過程所起到的作用基本相同，但是會帶來后期溶劑揮發過程的差異，同時溶劑退火后期溶劑去除速度對于高分子鏈的凍結過程是有影響的。可見，涉及到溶劑蒸汽膨脹的聚合物加工技術在工藝控制上是極具挑戰性的，而且，目前的技術手段對溶劑膨脹薄膜的研究缺少顯微學的細節。

研究溶劑蒸汽退火過程的一個關鍵技術阻礙是原位監控膨脹過程的能力有限，通常使用石英晶體微天平(QCM)或者光學計量學方法來檢測聚合物薄膜中溶劑的吸收，但是在溶劑蒸汽退火過程中不能監控結構的變化、結構的勢能不均一性、以及薄膜的機械特性等重要的信息，通常使用掠入射X射線散射來研究雙嵌段共聚物膨脹過程中出現的透明的納米結構，但是該方法不能以空間分辨的方式描述分子運動，目前沒有能同時得到膜厚和結構或動力學信息的實驗方法。所述一種用于原位測量聚合物薄膜中溶劑蒸汽膨脹的裝置能解決該問題。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明能夠將溶劑蒸汽可控地傳遞到聚合物薄膜樣品上進行溶劑蒸汽退火，并同時測量樣品在溶劑蒸汽退火過程中的多種特性。所述氮氣灌II經過所述流量控制器III通入所述樣品腔體，能夠調節所述流量控制器III直接輸入所述氮氣灌II中的氮氣到所述樣品腔體，以同時保持總氮氣流速相同。

本發明所采用的技術方案是：

所述一種用于原位測量聚合物薄膜中溶劑蒸汽膨脹的裝置主要包括氮氣罐I、流量控制器I、溶劑罐I、流量控制器II、溶劑罐II、混合室、樣品腔體、樣品腔底、樣品腔蓋、石英晶體微天平、樣品I、樣品II、熒光顯微鏡的物鏡、計算機、溶劑回收器、氮氣灌II、流量控制器III、氣管及閥、一系列流量控制器氣流系統，所述樣品I、樣品II為同樣的待測聚合物薄膜，氮氣從所述氮氣罐出來后分成兩路，一路經過所述流量控制器I和溶劑罐I，一路經過所述流量控制器II和溶劑罐II，然后兩路氣體都通入所述混合室、之后通過由針閥控制的氣體入口通入所述樣品腔體一側，所述樣品腔體另一側具有由針閥控制的氣體出口且連通所述溶劑回收器，所述樣品腔體的下方具有所述樣品腔底、上方具有所述樣品腔蓋且均為金屬材質并通過全氟橡膠密封圈及螺絲連接成一體，所述樣品腔底中心部分是透明玻璃，所有氣管與閥的連接處均纏有特氟龍膠帶，還包括寬場落射熒光顯微鏡、用作激發光的連續波長488nm光、一個油浸物鏡、一系列濾光片、一個用于圖像采集CCD攝像機，根據實驗的需要可以使用單個溶劑罐中的混合液體的蒸汽，也可以使用不同溶劑罐中的單一溶劑的蒸汽混合。

所述氮氣灌II經過所述流量控制器III通入所述樣品腔體，能夠調節所述流量控制器III直接輸入所述氮氣灌II中的氮氣到所述樣品腔體，以同時保持總氮氣流速相同，所述樣品腔蓋下方中心安裝有所述石英晶體微天平，所述熒光顯微鏡的物鏡位于所述樣品腔底中心正下方，所述石英晶體微天平通過貫穿所述樣品腔蓋的電纜連接所述計算機。對于實驗中薄膜膨脹過度的情況下，需要緩慢地降低管路中的溶劑蒸汽壓，調節所述流量控制器I或流量控制器II使得溶劑這路的流速降低，并能夠調節所述流量控制器III直接輸入所述氮氣灌II中的氮氣到所述樣品腔體，以同時保持總氮氣流速相同。

所述石英晶體微天平的作用機理：

理論上，橢偏儀或干涉儀等基于光學技術的用于成像的儀器也可以用來監控薄膜的膨脹，但是，這樣會使得熒光圖像變得復雜，而且，待成像的薄膜必須制備在一個蓋玻片上，使用橢偏儀或干涉儀成像效果并不理想。因此，若薄膜的厚度和膨脹通過置于所述石英晶體微天平上的樣品的平行測量來得到，不會對成像有干涉，而且所述石英晶體微天平結構緊湊且易于操作，同時，所述石英晶體微天平可以得到樣品薄膜粘彈性的信息。

關于使用混合溶劑蒸汽的說明：可以使用單個溶劑罐中的混合液體的蒸汽，也可以使用不同溶劑罐中的單一溶劑的蒸汽混合，因為使用分離的溶劑罐更容易控制蒸汽分壓，當使用溶劑蒸汽的混合時，更推薦這種方法。但是，非二進制的混合在技術上困難且成本較高，因為需要多個流量控制器，這種情況下，使用混合液體容器會有優勢，每種混合比例的液體-蒸汽平衡需要提前確定。

本發明的有益效果是：

本發明設計特點為：流量控制的溶劑蒸汽傳輸系統用于精確控制樣品上的溶劑量；貼合于所述石英晶體微天平下面的所述樣品I可以對其膨脹程度進行實時測量；對照置于所述樣品腔底中心的透明玻璃上方的所述樣品II，所述熒光顯微鏡的物鏡能夠實時的研究膨脹，能夠在實驗條件可控的情況下，同時測量聚合物薄膜膨脹、粘彈性、結構、動力學等方面的特性；能夠調節所述流量控制器III直接輸入所述氮氣灌II中的氮氣到所述樣品腔體，以同時保持總氮氣流速相同。

附圖說明

下面結合本發明的圖形進一步說明：

圖1是本發明裝置構造示意圖。

圖中，1.氮氣罐，2.流量控制器I，3.溶劑罐I，4.流量控制器II，5.溶劑罐II，6.混合室，7.樣品腔體，8.樣品腔底，9.樣品腔蓋，10.石英晶體微天平(QCM)，11.樣品I，12.樣品II，13.熒光顯微鏡的物鏡，14.計算機，15.溶劑回收器，16.氮氣灌II，17.流量控制器III。

具體實施方式

如圖1是本發明裝置構造示意圖，主要包括氮氣罐I 1、流量控制器I 2、溶劑罐I 3、流量控制器II 4、溶劑罐II 5、混合室6、樣品腔體7、樣品腔底8、樣品腔蓋8、石英晶體微天平10、樣品I 11、樣品II 12、熒光顯微鏡的物鏡13、計算機14、溶劑回收器15、氮氣灌II 16、流量控制器III 17、氣管及閥、一系列流量控制器氣流系統，所述樣品I 11、樣品II 12為同樣的待測聚合物薄膜，氮氣從所述氮氣罐1出來后分成兩路，一路經過所述流量控制器I 2和溶劑罐I 3，一路經過所述流量控制器II 4和溶劑罐II 5，然后兩路氣體都通入所述混合室6、之后通過由針閥控制的氣體入口通入所述樣品腔體7一側，所述樣品腔體7另一側具有由針閥控制的氣體出口且連通所述溶劑回收器15，所述樣品腔體7的下方具有所述樣品腔底8、上方具有所述樣品腔蓋9且均為金屬材質并通過全氟橡膠密封圈及螺絲連接成一體，所述樣品腔底8中心部分是透明玻璃，所有氣管與閥的連接處均纏有特氟龍膠帶，還包括寬場落射熒光顯微鏡、用作激發光的連續波長488nm光、一個油浸物鏡、一系列濾光片、一個用于圖像采集CCD攝像機，根據實驗的需要可以使用單個溶劑罐中的混合液體的蒸汽，也可以使用不同溶劑罐中的單一溶劑的蒸汽混合；所述氮氣灌II 16經過所述流量控制器III 17通入所述樣品腔體7，能夠調節所述流量控制器III(17)直接輸入所述氮氣灌II(16)中的氮氣到所述樣品腔體(7)，以同時保持總氮氣流速相同，所述樣品腔蓋9下方中心安裝有所述石英晶體微天平10，所述熒光顯微鏡的物鏡13位于所述樣品腔底8中心正下方，所述石英晶體微天平10通過貫穿所述樣品腔蓋9的電纜連接所述計算機14。

所述一種用于原位測量聚合物薄膜中溶劑蒸汽膨脹的裝置主要包括氮氣罐I 1、流量控制器I 2、溶劑罐I 3、流量控制器II 4、溶劑罐II 5、混合室6、樣品腔體7、樣品腔底8、樣品腔蓋8、石英晶體微天平10、樣品I 11、樣品II 12、熒光顯微鏡的物鏡13、計算機14、溶劑回收器15、氮氣灌II 16、流量控制器III 17、氣管及閥、一系列流量控制器氣流系統，所述樣品I 11、樣品II 12為同樣的待測聚合物薄膜，氮氣從所述氮氣罐1出來后分成兩路，一路經過所述流量控制器I 2和溶劑罐I 3，一路經過所述流量控制器II 4和溶劑罐II 5，然后兩路氣體都通入所述混合室6、之后通過由針閥控制的氣體入口通入所述樣品腔體7一側，所述樣品腔體7另一側具有由針閥控制的氣體出口且連通所述溶劑回收器15，所述樣品腔體7的下方具有所述樣品腔底8、上方具有所述樣品腔蓋9且均為金屬材質并通過全氟橡膠密封圈及螺絲連接成一體，所述樣品腔底8中心部分是透明玻璃，所有氣管與閥的連接處均纏有特氟龍膠帶，還包括寬場落射熒光顯微鏡、用作激發光的連續波長488nm光、一個油浸物鏡、一系列濾光片、一個用于圖像采集CCD攝像機，根據實驗的需要可以使用單個溶劑罐中的混合液體的蒸汽，也可以使用不同溶劑罐中的單一溶劑的蒸汽混合；

所述氮氣灌II 16經過所述流量控制器III 17通入所述樣品腔體7，能夠調節所述流量控制器III(17)直接輸入所述氮氣灌II(16)中的氮氣到所述樣品腔體(7)，以同時保持總氮氣流速相同，所述樣品腔蓋9下方中心安裝有所述石英晶體微天平10，所述熒光顯微鏡的物鏡13位于所述樣品腔底8中心正下方，所述石英晶體微天平10通過貫穿所述樣品腔蓋9的電纜連接所述計算機14。

對于實驗中薄膜膨脹過度的情況下，需要緩慢地降低管路中的溶劑蒸汽壓，調節所述流量控制器I 2或流量控制器II 4使得溶劑這路的流速降低，并能夠調節所述流量控制器III 17直接輸入所述氮氣灌II 16中的氮氣到所述樣品腔體7，以能夠同時保持總氮氣流速相同。

所述石英晶體微天平10的作用機理：

理論上，橢偏儀或干涉儀等基于光學技術的用于成像的儀器也可以用來監控薄膜的膨脹，但是，這樣會使得熒光圖像變得復雜，而且，待成像的薄膜必須制備在一個蓋玻片上，使用橢偏儀或干涉儀成像效果并不理想。因此，若薄膜的厚度和膨脹通過置于所述石英晶體微天平10上的樣品的平行測量來得到，不會對成像有干涉，而且所述石英晶體微天平10結構緊湊且易于操作，同時，所述石英晶體微天平10可以得到樣品薄膜粘彈性的信息。

關于使用混合溶劑蒸汽的說明：可以使用單個溶劑罐中的混合液體的蒸汽，也可以使用不同溶劑罐中的單一溶劑的蒸汽混合，因為使用分離的溶劑罐更容易控制蒸汽分壓，當使用溶劑蒸汽的混合時，更推薦這種方法。但是，非二進制的混合在技術上困難且成本較高，因為需要多個流量控制器，這種情況下，使用混合液體容器會有優勢，每種混合比例的液體-蒸汽平衡需要提前確定。