在過去十年內(nèi),基于給受體類型的共軛高聚物在光電功能材料領(lǐng)域(比如有機(jī)光伏器件(OPV)和有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OTFT)受到了極大的重視。大多數(shù)致力于分子結(jié)構(gòu)修飾的研究主要為了獲得更高的電學(xué)性能,然而針對(duì)提高其力學(xué)性能的工作仍然很有限。這使得共軛高聚物在很多先進(jìn)科技中的應(yīng)用(用于生物體的可穿戴/可移植電子設(shè)備,用于航空航天的熱穩(wěn)定太陽能電池等)受到了極大的限制。因此,研究共軛高聚物的結(jié)構(gòu)對(duì)其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)及以力學(xué)性能的影響至關(guān)重要。

近期,美國(guó)南密西西比大學(xué)(University of Southern Mississippi)高分子科學(xué)與工程學(xué)院顧曉丹教授團(tuán)隊(duì)與北達(dá)科他州立大學(xué) (North Dakota State University) 土木與環(huán)境工程系夏文杰教授團(tuán)隊(duì)共同報(bào)道,共軛高聚物分子鏈的柔性與其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,以及楊氏模量之間的關(guān)系可以由一個(gè)線性經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)。該研究成果以博士生張聳為第一作者,以“Toward the prediction and control of glass transition temperature for donor-acceptor polymers”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials 雜志上。

1.共軛高聚物的力學(xué)與熱學(xué)性能測(cè)試

獲得共軛高聚物的力學(xué)與熱學(xué)性能在實(shí)驗(yàn)上十分困難。首先,共軛高聚物薄膜(< 100納米)的力學(xué)性能很難直接通過拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試,傳統(tǒng)上使用聚二甲基硅氧烷PDMS作為基底測(cè)試薄膜力學(xué)性能的方法,由于拉伸速度得不到控制,基底與薄膜之間作用力的影響不得知等問題,得到的楊氏模量在很大程度上并不具有可參考性。作者通過使用自制的偽獨(dú)立式拉伸測(cè)試儀(pseudo-free-standing tensile tester),將共軛高聚物薄膜浮在水面上,進(jìn)行單向拉伸即可獲得其應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

另外,給受體共軛高聚物的Tg并無法簡(jiǎn)單地通過常見設(shè)備(如差示掃描量熱儀DSC, 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析 DMA,旋轉(zhuǎn)流變儀等)而測(cè)得。其原因有:一,每次合成得到的產(chǎn)量只有幾十微克;二,共軛高聚物鏈剛性大,結(jié)晶性強(qiáng),導(dǎo)致其Tg前后的熱容差特別小。因此,這里作者將共軛高聚物溶液滴涂在玻璃纖維上,只需要5-10毫克樣品即可使用DMA進(jìn)行本體Tg的測(cè)試。

作者以給受體共軛高聚物,吡咯并吡咯二酮(diketopyrrolo, DPP)為主要研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)隨著其支鏈長(zhǎng)度的增加,Tg與彈性模量會(huì)同時(shí)降低,而Tg與彈性模量之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系。同時(shí),通過粗?;肿觿?dòng)力學(xué)模擬 (CG-MD simulation),將側(cè)鏈的長(zhǎng)度簡(jiǎn)化為球狀模型的數(shù)量,從而測(cè)試分子鏈對(duì)溫度與外界應(yīng)力的反應(yīng),可以得到與實(shí)驗(yàn)相似的結(jié)果。

可柔可剛-控制及預(yù)測(cè)共軛高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度
圖1. 具有不同支鏈長(zhǎng)度的共軛高聚物分子結(jié)構(gòu)與分子模擬圖

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可柔可剛-控制及預(yù)測(cè)共軛高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度
圖2. 通過實(shí)驗(yàn)以及模擬得到的共軛高聚物熱力學(xué)性能

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2. 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)共軛高聚物Tg

支鏈長(zhǎng)度的增加對(duì)共軛高聚物Tg的影響可以直接與高分子鏈柔性的提升相聯(lián)系。按照Di Marzio以及Schnider提出的mass-per-flexible bond 理論模型,給分子重復(fù)單元中每個(gè)共價(jià)鍵的柔性分配一個(gè)從0到1 的系數(shù)(0代表完全受限,1代表可以自由活動(dòng)),可以求出一個(gè)重復(fù)單元的mass-per-flexible bond。作者利用該模型,以傳統(tǒng)聚噻吩共軛高聚物為例,成功地展現(xiàn)出了Tg與高分子鏈柔性之間的線性關(guān)系。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)該模型也可用于復(fù)雜的給受體共軛高聚物DPP中,并能夠成功預(yù)測(cè)另外兩種同樣主鏈,而不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的DPP高分子的 Tg。 接著,作者再次測(cè)試了該模型對(duì)不同主鏈的DPP高分子Tg的預(yù)測(cè)能力,發(fā)現(xiàn)主鏈剛性的提升會(huì)導(dǎo)致Tg升高,同時(shí)由側(cè)鏈長(zhǎng)度主導(dǎo)的線性關(guān)系仍然存在。

《AFM》:可柔可剛-控制及預(yù)測(cè)共軛高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度
圖3. 基于分子重復(fù)單元分配柔性系數(shù),并用mass-per-flexible bond模型擬合共軛高聚物的Tg

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《AFM》:可柔可剛-控制及預(yù)測(cè)共軛高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度
圖4. 使用mass-per-flexible bond模型擬合一個(gè)主鏈修飾過的共軛高聚物Tg

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3. 側(cè)鏈接枝量的影響

除了側(cè)鏈長(zhǎng)度與主鏈剛度之外,側(cè)鏈接枝量對(duì)共軛高分子的Tg也有著重要的影響。由于合成新材料的困難性,通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)試Tg會(huì)十分耗時(shí)且費(fèi)力,而通過分子動(dòng)力學(xué)模擬則更加輕松。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),無論是側(cè)鏈數(shù)量還是長(zhǎng)度的增加都會(huì)導(dǎo)致共軛高分子Tg的降低,而降低的趨勢(shì)與具體的接枝量,以及側(cè)鏈長(zhǎng)度之間并無線性關(guān)系。在側(cè)鏈含量較多的時(shí)候,Tg會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)期,而其對(duì)應(yīng)的側(cè)鏈長(zhǎng)度/數(shù)量是直接由自由體積的多少而決定的

《AFM》:可柔可剛-控制及預(yù)測(cè)共軛高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度
圖5. 使用粗?;肿觿?dòng)力學(xué)模擬側(cè)鏈支化度與側(cè)鏈長(zhǎng)度對(duì)Tg及動(dòng)力學(xué)的影響

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作者最后提出,對(duì)其他共軛高分子來說,建立一個(gè)預(yù)測(cè)Tg的線性經(jīng)驗(yàn)公式需要先通過實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)個(gè)點(diǎn),而該經(jīng)驗(yàn)公式提供的Tg與mass-per-flexible bond之間的線性關(guān)系在極值處仍有著較大的局限性。比如,在側(cè)鏈長(zhǎng)度為無窮大以及為零的時(shí)候,該公式預(yù)測(cè)到的Tg分別會(huì)偏小與偏大。然而,該線性關(guān)系也有著很大的優(yōu)點(diǎn),比如它提供了指定共軛高聚物可達(dá)到的Tg以及楊氏模量的區(qū)間,為以應(yīng)用為導(dǎo)向的新型共軛高聚物的合成提供了更加理性的設(shè)計(jì)指南。

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002221

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