复杂嵌段共聚物体系微相结构的耗散粒子动力学研究

论文摘要

嵌段共聚物作为聚合物的一个重要分支，近年来在科学研究和实际应用方面都受到人们广泛的关注。而具有复杂结构的嵌段共聚物可以在熔体中或溶液中自组装为各种微相分离结构，在合成开发具有独特性质的新材料以及纳米科技等领域有非常重要的应用。因此，本工作主要进行以下几个方面的研究：熔融态嵌段共聚物微相分离、溶液中嵌段共聚物自组装为胶束的行为以及聚合物物理性质的模型化研究。主要成果为：1．用耗散粒子动力学的方法讨论了新型线形-树枝状两嵌段共聚物在稳态剪切流动外场下的微相分离行为及性质。我们发现在稳态剪切流动的作用下，这种新型嵌段共聚物的微相分离结构与性质取决于剪切速率以及树枝状嵌段支化程度的共同作用。模拟结果表明线形-树枝状两嵌段共聚物是一种具有独特性质且有广泛应用前景的新材料。2．首次系统地讨论了包含二元纳米粒子混合物的嵌段共聚物纳米复合材料的微相结构。模拟结果显示二元纳米粒子混合物在聚合物基体中的自组装行为是一个协同组装的过程，受到多种因素的影响。为合理设计具有可剪裁性质的聚合物纳米复合材料提供了分子水平的信息。3．研究了不同结构三嵌段共聚物体系的微相分离情况，以及在稳态剪切流动下微相结构的变化。结果表明不同结构的三嵌段共聚物可以出现相同的微相分离形貌，但嵌段共聚物结构的不同导致其对稳态剪切流动的响应不同。4．率先从模拟角度研究了多嵌段共聚物在溶液中自组装形成多微区胶束的行为。发现了几种实验中未发现的新形貌，同时讨论了嵌段长度、嵌段长度比以及溶剂性质对胶束形貌的影响，并从分子尺度分析了这种胶束的形成过程及机理。5．首次研究了三种不同粒子在多微区胶束中的自组装行为，通过选择不同的体积比以及相互作用参数可以将三种粒子同时选择性地装载在胶束的不同隔断内，同时发现一种粒子的存在会影响到在不同隔断中其它粒子的分布。6．率先把可变连接性指数应用于聚合物物理性质的模型化研究中，并对聚合物热容数据建立了比以前模型结构简单且精度更高、预测性更好的新模型，促进了种新型指数的广泛应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• Contents
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 拓扑指数在聚合物物理性质预测领域的应用
• 1.3 计算机模拟方法及其在聚合物科学领域的应用
• 1.3.1 模拟方法的分类
• 1.3.2 耗散粒子动力学模拟方法
• 1.3.2.1 耗散粒子动力学简介
• 1.3.2.2 耗散粒子动力学方法的发展及其在聚合物研究中的应用
• 1.4 嵌段共聚物熔体以及嵌段共聚物纳米复合材料的自组装行为
• 1.4.1 两嵌段共聚物熔体的自组装
• 1.4.2 三嵌段共聚物熔体的自组装
• 1.4.3 嵌段共聚物纳米复合材料的自组装
• 1.5 嵌段共聚物在溶液中的自组装
• 1.6 论文的主要思路及内容
• 第二章 用连接性指数对聚合物物理性质的模型化研究
• 2.1 前言
• 2.2 模型的建立
• 2.2.1 连接性指数及其计算方法
• 2.2.2 基于传统连接性指数的聚合物热容Cp（298K）关联模型
• 2.2.3 基于可变连接性指数的新关联模型
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 对固态聚合物Cps（298K）的关联
• 2.3.2 对液态聚合物Cpl（298K）的关联
• 2.3.3 对玻璃转化温度下热容变化的预测
• 2.4 小结
• 第三章 稳态剪切流动下线形-树枝状两嵌段共聚物熔体微相分离的模拟研究
• 3.1 前言
• 3.2 耗散粒子动力学模拟方法及模拟细节
• 3.2.1 耗散粒子动力学模拟方法
• 3.2.2 模拟细节
• 3.3 耗散粒子动力学模拟方法的验证
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 稳态剪切流动下线形-树枝状两嵌段共聚物的微相结构
• 3.4.2 稳态剪切流动下线形-树枝状两嵌段共聚物的末端距
• 3.4.3 稳态剪切流动下线形-树枝状两嵌段共聚物的剪切粘度
• 3.5 小结
• 第四章 纳米粒子混合物在层状两嵌段共聚物中协同自组装的模拟研究
• 4.1 前言
• 4.2 模拟方法及模拟细节
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 模拟方法的验证
• 4.3.2 具有相同大小的二元纳米粒子混合物的协同自组装
• 4.3.2.1 粒子与嵌段之间作用力的影响
• 4.3.2.2 嵌段与嵌段之间作用力的影响
• 4.3.3 具有不同大小和形状的二元纳米粒子混合物的自组装
• 4.4 小结
• 第五章 稳态剪切流动下三嵌段共聚物熔体微相分离的模拟研究
• 5.1 前言
• 5.2 模拟方法及模拟细节
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 层状微相分离
• 5.3.2 壳-核圆柱状微相分离
• 5.3.1.1 线形三嵌段共聚物体系
• 5.3.1.2 星形三嵌段共聚物体系
• 5.4 小结
• 第六章 溶液中多嵌段共聚物自组装为多微区胶束的模拟研究
• 6.1 前言
• 6.2 模拟方法及模拟细节
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 模拟方法的验证
• 6.3.2 嵌段长度对多微区胶束形成的影响
• 6.3.2.1 亲水嵌段长度的影响
• 6.3.2.2 憎水嵌段长度的影响
• 6.3.3 溶剂对多微区胶束形成的影响
• 6.3.3.1 溶剂与亲水嵌段之间相互作用力的影响
• 6.3.3.2 溶剂与憎水嵌段之间相互作用力的影响
• 6.4 小结
• 第七章 纳米粒子混合物在多层核-壳结构多微区胶束中自组装的模拟研究
• 7.1 前言
• 7.2 模拟方法及模拟细节
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 四嵌段共聚物形成的多层核-壳结构多微区胶束
• 7.3.2 纳米粒子在多层核-壳结构多微区胶束中的自组装
• 7.4 小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 博士研究生学位论文答辩委员会决议书