聚合物刷的分子动力学模拟

论文摘要

首先,运用分子动力学的模拟方法,对单组分中高接枝面密度聚合物刷的静态和动力学性质进行了研究。研究结果发现:如果把链的有限延展性因素考虑到分析问题中,并且对自洽场理论作了有效修正以后,它就可以重现模型的密度轮廓曲线;用同样的方法,并运用朗之万模型考虑链横向涨落和纵向拉伸之间的耦合关系,实现了对中高接枝面密度刷子链的横向涨落的解释;相应地在平行于基面方向上的涨落动力学能很好地被Rouse标度理论所描述,在平行于基面和垂直于基面这两个方向上,热液滴(blobs)涨落动力学可以用来描述动力学和接枝面密度的相互关系,并且这种各向异性的涨落与这两个方向上的两个特征动力学长度有关。我们也进一步地对作用在聚合物刷子链上的键拉力做了研究,发现作用在首键(直接连接在接枝基面上的键)上的力随着接枝面密度的增大反而减小。在高接枝面密度的刷子链上发现尾端单体上的拉伸张力并没有消失。相应的链额外自由能则遵循了热液滴刷子模型的预测结果。其次,我们把对聚合物刷的研究延伸到了更高接枝面密度范围,发现随着接枝面密度的进一步增大,聚合物体系便从我们上面讨论的聚合物刷向聚合物晶体转变。聚合物体系的三维平均密度分布、结构因子以及关联函数的分析结果直接验证了此种转变。随着接枝面密度的增大,这种晶化过程是从刷子的中心层向体系的表面部分扩展。通过对单体的横向涨落(活动性)的分析也证实了同样的过程。除此以外,键力和链额外自由能的计算分析结果也表明有此结构转变,并且与修正后的平均场理论预测一致。最后,我们研究了双组分聚合物刷在不同温度下的性质。发现随着温度的变化(从高温降至低温),体系会发生相分离,并且有两个变化:一个是从无序到有序,另外一个就是跨过(?)温度,相当于从在良溶液的性质转变为在劣溶液的性质。为了印证这种转变,我们对体系在不同温度下平均密度分布(以及组分密度分布)、结构因子、对关联函数、时间自关联函数以及序参数等变化做了相应的分析。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 聚合物和聚合物刷简介
• §1.1 聚合物简介
• §1.1.1 聚合物的结构
• §1.1.2 聚合物的类型
• §1.2 聚合物刷简介
• §1.2.1 聚合物刷
• §1.2.2 聚合物刷的分类、制备及应用
• §1.3 研究背景简介
• 参考文献
• 第二章 相关理论介绍
• §2.1 亚历山大—德热纳模型（AM）
• §2.2 半稀溶液模型（SDM）
• §2.3 （高斯）自洽场理论（Gaussian）SCF（MWC）
• §2.4 修正后的自洽场理论（SCF（SC））和黎—海柏林（Lai-Halperin）对朗之万方程的应用
• §2.4.1 SCF（SC）
• §2.4.2 黎—海柏林（Lai-Halperin）对朗之万方程的应用
• §2.5 Rouse模型
• §2.6 Flory-Huggins理论
• 参考文献
• 第三章 相关模拟计算理论
• §3.1 朗之万动力学
• §3.2 布朗动力学
• §3.3 分子动力学
• §3.4 三种动力学的联系与比较
• 参考文献
• 第四章 单组分具有中高接枝面密度的聚合物刷有限延展性的影响
• §4.1 模拟方法以及模型参数的设定
• §4.2 聚合物链有限延展性的影响
• §4.2.1 密度轮廓曲线
• §4.2.2 横向涨落
• §4.2.3 链动力学
• §4.2.4 键力和链能
• §4.3 小结
• 参考文献
• 第五章 单组分晶化接枝面密度附近聚合物刷的相变研究
• §5.1 模拟方法及参数设定
• §5.2 单组分聚合物刷晶化相变研究
• §5.2.1 聚合物刷子的高度
• §5.2.2 密度轮廓曲线
• §5.2.3 从熔体到晶体的相变
• §5.2.3.1 结构因子
• §5.2.3.2 对关联函数
• §5.2.4 链的横向涨落
• §5.2.5 键力
• §5.2.6 链额外自由能
• §5.3 相关实验
• §5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 双组分聚合物刷在不同温度下的性质研究
• §6.1 模拟方法及参数的设定
• §6.2 双组分聚合物刷在不同温度下的相分离
• §6.2.1 不同温度下刷子斑图
• §6.2.2 结构因子
• §6.2.3 关联函数
• §6.2.3.1 对关联函数
• §6.2.3.2 时间自关联函数
• §6.2.4 序参数
• §6.2.5 剪切的影响
• §6.3 小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 作者攻读博士期间发表的文章
• 致谢