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《吉林大学》 2011年
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分子动力学与介观动力学模拟在聚合物多相体系中的应用

董仕晋  
【摘要】:聚合物是由一种或几种结构单元通过共价键连接起来的分子量很高的化合物。由于其复杂而多变的结构一般具有多种多样优异的性能,多年来受到了广泛的关注和重视,并得到了各种各样的研究和应用。近年来随着计算机技术的发展,计算机模拟也被经常性的应用在聚合物研究中。由于聚合物本身复杂的结构,以及不同聚合物复合体系的多尺度性,单一手段的计算机模拟手段很难全面的反映体系中各方面的性质。本论文利用分子动力学与介观动力学模拟相结合的方法,分别研究了聚合物共混体系,高分子表面活性剂溶液体系,聚合物无机粒子体系中的多个过程以及各种物理和化学性质。主要内容包括: (1)对壳聚糖(chitosan)与聚环氧乙烷(PEO)共混体系进行了分子动力学模拟,从Flory-Huggins参数和玻璃化温度两个角度研究了壳聚糖与聚环氧乙烷二元体系的共混相容性。分别利用溶度参数δ和混合能ΔEmix两种途径计算了壳聚糖与聚环氧乙烷的Flory-Huggins参数χ,该参数随着温度的升高呈现先下降后基本保持不变的趋势。通过比较χ与χcritical得出壳聚糖与聚环氧乙烷组成比为1:1和1:2共混物在整个温度范围内(200K-425K)完全不相容,而其它三个配比在温度高于300K能够形成相容的共混聚合物。利用比容积温度关系曲线分析了全部五个配比共混物的玻璃化温度,结果显示壳聚糖与聚环氧乙烷摩尔比为3:1、2:1和1:3的三个共混体系均只有一个玻璃化温度,证明这三个配比的共混物相容性良好。其它两个比例的共混物均有两个玻璃化温度,意味着随着温度升高,这两个混合体系中聚环氧乙烷区域和壳聚糖区域先后在不同温度下发生从玻璃态到高弹态的转变,因此认为这两个配比的共混物不相容。对均方位移数据分析同样能得出共混体系的玻璃化温度,结果与比容积法差距不大。通过特征比换算将壳聚糖与聚环氧乙烷分子链转化为对应高斯链的珠子弹簧模型,并利用此模型对壳聚糖与聚环氧乙烷共混物进行了介观动力学模拟,得到了不同配比共混物的序参数与等密度场示意图。介观动力学模拟证实当壳聚糖与聚环氧乙烷摩尔分数较为接近时体系不相容而当二者配比相差较大时能够形成相容体系。 (2)利用全原子分子动力学模拟研究了温度和浓度对三嵌段高分子表面活性剂Pluronic P65水溶液的影响。模拟工作涵盖了273K到373K的温度范围以及0.1到0.73(水分子质量分数)的浓度范围。通过模拟得到了Flory-huggins参数、径向分布函数、均方位移以及自由体积率等数据。由Flory-huggins参数可知随着温度升高,P65中PO链段逐渐从亲水转变为疏水;而EO链段则一直保持亲水性。这意味着升高温度将造成EO和PO链段的排斥。径向分布函数证实在P65水溶液中存在两种氢键作用,即水分子之间的氢键以及水分子和P65之间的氢键。这两种氢键作用均随着温度的升高而减弱随着溶质浓度升高增强。在水分子和P65之间的氢键中,水分子会为质子给体而P65为质子受体。在溶液中吸附在溶质分子周围的水分子主要排布在溶质分子氧原子周围,随着温度升高PO与水分子结合明显削弱,而EO链段仍然能够保证和水分子的良好结合。均方位移数据显示溶液中水分子的扩散由反常扩散和爱因斯坦扩散两个过程组成,然而P65的运动只包含反常扩散阶段,并且运动速度远低于水分子运动速度。随着温度升高,溶液中自由体积增加。根据模拟结果可以初步推断P65的临界胶束温度在20到40℃,这个数据与实验研究结果接近。 (3)利用介观动力学模拟研究了三嵌段高分子表面活性剂Pluronic P105在不同浓度条件下形成的多种聚集态结构。并细致研究了在低浓度范围内,P105浓度对于形成的胶束结构、胶束形成速率以及胶束的演化过程。模拟结果证明P105在水溶液中能够形成球状胶束、椭球状胶束、蠕虫状胶束以及双连续相结构。在球状胶束中浓度范围内,存在一种半球状半蠕虫的过渡态结构。胶束的形成可以分为诱导阶段,初步形成阶段,演化阶段和最后的稳定阶段。提高浓度能够降低诱导时间并提高序参数。浓度对胶束数量的影响较为微妙,即高浓度的溶液更倾向于形成少量的大胶束,而低浓度溶液达到平衡时能够形成较多的小胶束。通过模拟结果可以推断,在胶束演化过程中存在两种演化方式。在较高浓度条件时胶束演化以碰撞融合为主而在较低浓度条件下时以分子扩散为主。总之介观动力学模拟可以给复杂体系的介观形貌以及相分离行为提供非常重要的理论依据。 (4)开创新的建立了炭黑模型,并利用分子动力学和介观动力学模拟相结合的方法研究了聚乙烯醇分子对炭黑颗粒的物理包覆改性。观察模拟结果可以发现聚乙烯醇以逐层沉积的方式吸附在炭黑表面。比较了改性炭黑和未改性炭黑的区别,证实了聚乙烯醇改性对于降低炭黑表面能有非常显著的效果,能有有效的防止炭黑团聚。为了研究聚乙烯醇用量对改性效果的影响,同时对五个不同聚乙烯醇浓度的模型进行模拟,发现不同浓度的聚乙烯醇会对改性炭黑表面形貌产生影响,随着浓度的增加,会先后形成多种包覆层结构,包覆层的完整性随着聚乙烯醇的增加而发生周期性变化。在多层聚乙烯醇膜中,各层之间基本成平行排列。增加聚乙烯醇的用量只是对应的造成包覆层数的增加,而不会改变其中聚乙烯醇分子的取向和排列方式。聚乙烯醇用量同时会影响改性颗粒的稳定性和相容性,具体结果为5个聚乙烯醇分子形成的单层包覆膜最稳定,聚乙烯醇用量越多相容性越好。同时利用扫描电镜和激光粒度仪对炭黑相关性质进行检测,验证了模拟结果的正确性。 (5)利用三种方法模拟了聚合物玻璃化温度,分别为比容积法、自由体积法以及链段运动法,并同时应用这三种方法对聚环氧乙烷的玻璃化温度进行预测,三种方法得到的结果分别为比容积法248K,自由体积法275K,链段运动法250K,与文献中的数据200-256K相差不大,可以认为这三种方法都有一定的可行性。通过比容积法研究了聚合度对聚环氧乙烷玻璃化温度的影响,结果显示玻璃化温度随着聚合度增加而逐渐升高。这种趋势在聚合度较低时表现的较为明显,当聚合度达到一定程度时,玻璃化温度的增量变小。玻璃化温度与聚合度倒数呈线性关系,二者线性相关性非常好(R2=0.9801),证明模拟得到的聚环氧乙烷玻璃化温度符合Fox-Flory万程,并可以算出分子量无穷大时的玻璃化温度Tg(∞)为257K。此外,还研究了几何异构对玻璃化温度的影响。全同异构的聚甲基丙烯酸甲酯玻璃化温度为325K,而间同异构的玻璃化温度为380K,模拟结果与实验数据非常接近。
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