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高分子链驱动变形的计算机模拟研究

栗娟  
【摘要】:高分子的流动变形问题是高分子流变学研究的核心问题之一。与小分子的整体运动不同,高分子的扩散运动是各个链单元布朗运动的叠加。在发生流动的高分子溶液或者熔体中,布朗力的作用可以使高分子链保持无规线团的状态,但当外场作用产生的内部张力超过布朗力时,线团开始发生变形。高分子链在流动中发生的大变形是导致流体产生非线性粘弹性的主要原因。到目前为止,有关高分子变形的原因还不是很清楚,但显然与高分子独特的链状分子结构有关。由于现实条件的复杂性,做布朗运动的高分子链可能处于许多重要的偏扩散过程,比如相分离时的界面迁移,离心或重力沉降,电泳以及在加工过程中高分子的驱动剪切流动。在理想状态下,每个链单元在均一的驱动力下平行移动,线团形状不应当发生变化。但是我们在动态Monte Carlo分子模拟中观察到了线团的变形。本论文首先采用格子空间的Monte Carlo模拟方法模拟了高分子单链在均一的驱动场中的流动变形,并进一步采用连续空间的Brownian dynamics模拟研究了单链在均一的驱动流场中变形的机理。最后,采用Monte Carlo模拟方法研究了高分子本体在剪切流场中的流动与变形。主要的创新性工作分为以下几个部分:(一)采用动态Monte Carlo模拟,我们研究了单链高分子在均一驱动力下的偏布朗运动。我们观察到由均一的驱动力诱导的高分子链的变形。我们比较了不同链长高分子链的变形,发现发生变形所需的起始力与链长呈现出反比的关系。同时在比较大的驱动力下,我们观察到了高分子链的剪切变稀和剪切增稠等非线性粘弹性现象。(二)采用Brownian dynamics模拟,我们系统地研究了高分子链在均一的驱动流场中发生变形的分子机理。我们设计了三种不同的抽样方法,其中非同步更新链单元位置的抽样方法与Monte Carlo模拟方法相似。模拟结果表明,在均一的驱动力下,非同步更新链单元的位置的抽样方法能够带来高分子链的变形。我们将线团变形的原因归结为沿着分子链方向上运动加速的累积。我们的研究结果解释了Monte Carlo模拟的高分子链在均一的驱动流场中变形的原因是沿着分子链方向的动态不均匀性。(三)最后,采用Monte Carlo模拟,我们研究了高分子熔体的剪切流动,并且观察到由剪切应力和剪切速率带来的高分子链的变形。通常认为只有速率梯度才能带来高分子链的变形。模拟结果表明:剪切应力和剪切速率都可以带来高分子链变形。在相同的驱动力作用下,长链比短链更容易发生变形。剪切应力诱导的变形会导致剪切变稀和剪切增稠的非牛顿现象。当剪切应力比较小的时候,速率梯度是导致高分子变形的主要原因;当剪切应力比较大的时候,剪切应力是导致高分子变形的主要原因。由于链单元密度的局部涨落波动,在高分子本体中,链单元在运动的过程中必然会出现这种异步运动的情况。由此看来,在剪切流动中,高分子链的变形将包含每层的剪切应力所带来的贡献。我们在分子模拟中所观察到的链在均匀的驱动流场中的变形,将有助于我们理解高分子链的非线性黏弹性行为,并可进一步采用分子模拟研究流动中的高分子相分离和结晶行为。


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