含接枝型相容剂聚合物共混体系的耗散粒子动力学模拟

摘要

聚合物共混是常用的聚合物改性的方法之一。由于聚合物之间的共混焓较低，相与相之间易发生宏观相分离，需要加入相容剂以改善界面特性。接枝型相容剂广泛应用于制备高性能的聚合物材料，但至今其结构和组成与相容性的关系仍不明确，依赖于实验。由于影响因素众多，实验方法进行系统研究费时耗力，并且共混材料在合成和加工过程中相分离时间短暂，分析仪器不能直接观察相分离过程以及相容剂在界面的形貌、分布等情况。计算机模拟可以重现相分离过程的微观状况，为分析实验结果提供理论依据，并能有效地指导实验。
　　本文采用耗散粒子动力学(DPD)方法研究含有接枝型相容剂的聚合物共混体系。以聚苯乙烯(PS)与尼龙6(PA6)聚合物为例，通过QSPR的方法建立对应的聚合物A和B的粗粒化模型，研究接枝型共聚物A-g-B及B-g-A对聚合物共混体系A/B的影响，探索采用DPD模拟在聚合物共混材料领域的应用。论文取得以下研究结果:
　　对PS/PA6二元共混体系的粗粒化模型进行DPD模拟，得到了不同配比下PS/PA6二元共混体系的介观尺度相图。随PA6含量增大，体系出现了以下共混物经典相形态:体心立方的球状形态（body centered cubic BCC）、层穿孔形态(hexagonal perforated lamellar HPL)以及共连续形态（ordered bicontinuousdouble diamond OBDD）、六角形柱状堆积形态(hexagonal packed cylindersHPC)。其中PS/PA680/20、60/40、50/50扫描电子显微镜(SEM)的微观相图与DPD模拟所得的PS/PA680/20、60/40、50/50的介观尺度相形态吻合。
　　考察接枝型相容剂PS-g-PA6对PS/PA690/10共混体系的影响，对比加入相容剂前后的体系相态演变过程，发现相容剂的加入能够加速相平衡过程。相容剂的相容效率可以采用DPD模拟计算的界面张力衡量。当主链PS长度固定，不论支链密度的大小，增加支链长度，界面张力出现先降低，达到最小值后增大的趋势。故设计高效的接枝型相容剂时，增加支链的长度比增加接枝数目对提高相容效率更有效。当相容剂加入量一定时，接枝型相容剂会存在一个最佳的主链/支链配比，在此模拟条件下比值为2/1。
　　主链和支链在界面的分布影响界面层厚度，高效的相容剂的特点是能够在界面产生较大的吸附层，从而增加界面厚度。对具有相同主链长度的相容剂，接枝密度较小，接枝链较长的相容剂能够增加界面厚度，故相容效率较高。
　　考察反相接枝型相容剂B-g-A对A/B90/10体系的影响。发现当B-g-A的主链长度适中（在此模拟条件下为均聚物B链长度的1/5）时，具有较高的相容效率，同时，当主链/支链质量比一定时，接枝密度越小，接枝链越长的相容剂具有较高的相容效率。当接枝型相容剂的主链与分散相相容，而支链与母相相容的反相接枝型相容剂B-g-A，能够更有效地阻止分散相的聚并和粘结，相容效率较高。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

1 前言

2 文献综述

2．1 聚合物共混体系

2．1．1 嵌段型相客剂

2．1．2 接枝型相容剂

2．1．3 共混相客机理

2．2 计算机模拟方法在聚合物共混领域的应用

2．2．1 多尺度模拟方法简介

2．2．2 聚合物共混体系的模拟

2．3 耗散粒子动力学

2．3．1 耗散粒子动力学理论基础

2．3．2 DPD计算参数

2．4 本论文的研究目标

3 二元共混体系的DPD模拟

3．1 PS／PA6共混体系的DPD模型

3．1．1 粗粒化

3．1．2 模拟条件

3．2 结果与讨论

3．2．1 PS／PA6共混体系体系扩散系数

3．2．2 二元共混体系PS／PA6的介观尺度相形态

3．2．3 介观尺度相形态与实验SEM相图对比

3．2．4 二元共混体系PS／PA6的相态形成演变过程

3．3 本章小结

4 合接枝型相容剂A-g-B的三元共混体系DPD模拟

4．1 接枝相容荆PS-g-PA6的粗粒子模型

4．2 结果与讨论

4．2．1 共混体系介观尺度相形态

4．2．2 共混体系密度分布

4．2．3 相容剂加入量对分散相态的影响

4．2．4 二元和三元共混体系的相态演变过程对比

4．2．5 接枝相容剂PS-g-PA6相容共混中的演变过程

4．2．6 模拟过程末端距演变规律

4．2．7 PA6分散相的末端距演变规律

4．3 接枝型相容剂A-g-B相容机理

4．3．1 界面张力

4．3．2 界面张力受接枝结构的影响

4．3．3 接技型相容剂PS-g-PA6的界面分布

4．4 本章小结

5 合接枝型相容剂B-g-A的三元共混体系DPD模拟

5．1 接枝相容剂B-g-A的DPD模型

5．2 结果与讨论

5．2．1 三元共混体系A／B／B-g-A的介观尺度相形态

5．2．2 接枝相容剂B-g-A均方末端距

5．2．3 接技相容剂B-g-A在界面密度分布

5．2．4 含不同接枝主链相容剂的三元共混体系相形态演变过程

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间主要研究成果及作者简介