纳米颗粒环境中半柔性高分子链构象和动力学的模拟研究

摘要

通过在高分子基质中加入纳米颗粒提高高分子材料的物理和化学性能是高分子纳米复合材料的热点研究方向。本文采用非格点Monte Carlo方法模拟研究在周期性分布的纳米颗粒环境中半柔性高分子的动力学和构象。研究内容主要包含以下两方面: (1)纳米颗粒受限环境中的高分子单链。当纳米颗粒与高分子相互排斥或弱吸引时，随着链刚性度kθ的增加或纳米颗粒间距d的减小，高分子链的动力学单调减慢。但是，对于强吸引性纳米颗粒，高分子动力学显示出随kθ和d的非单调变化行为。随着kθ增加，高分子动力学先加快后减慢，该异常变化是链刚性对纳米颗粒吸引力的弱化效应和链刚性内在效应共同作用的结果。随着d增加，半柔性高分子链的动力学先减慢后加快，可解释为小d主导的纳米颗粒交换运动与大d主导的脱附/吸附运动之间的竞争所致。由于链刚性对纳米颗粒的弱化效应，刚性高分子的动力学甚至比柔性链更快，此时纳米颗粒的排斥体积效应起主要作用。 (2)采用模拟退火方法研究了纳米颗粒浓度φNP和尺寸DP对高分子玻璃化转变温度Tg和扩散动力学的影响。发现随着φNP增加，Tg升高，扩散D减慢，而且小尺寸纳米颗粒的影响明显强于大尺寸纳米颗粒。当我们引入动态受限参数ωd/2Rg后，所有体系的高分子约化玻璃化转变温度Tg/Tg0和扩散系数D/D0都能很好地分别落在Tg/Tg0=1/[1-exp(-ωd/2Rg)]和D=D0[1-exp(-ωd/2Rg)]的曲线上，其中Tg0是纯高分子熔体的玻璃化转变温度，D0是纯高分子熔体的扩散系数，Rg是高分子的回转半径。ωd=α·ID，ID=d-DNP是纳米颗粒的表面间距，α与纳米颗粒尺寸DNP和体系温度T相关。最后，我们初步考察了链刚性的影响。当高分子与纳米颗粒的相互吸引作用较弱时，随着kθ增加，扩散系数D逐渐下降，与纯高分子熔体一致。当高分子与纳米颗粒强相互吸引时，随着kθ增加，D先降低后增加。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1前言

1．2高分子纳米复合材料简介

1．3纳米颗粒对高分子构象的影响

1．4纳米颗粒对高分子扩散的影响

1．5纳米颗粒对高分子玻璃化转变温度的影响

1．6本文拟开展的工作

参考文献

第二章模拟方法与理论基础简介

2．1计算机模拟概述

2．2 Monte Carlo方法

2．2．2高分子科学中的Monte Carlo方法

2．2．3高分子链的构象性质和动力学

2．3玻璃化转变理论

参考文献

第三章纳米颗粒环境中半柔性高分子链的动力学

3．1引言

3．2模拟方法和模型介绍

3．3结果与讨论

3．3．1稀溶液中的高分子链

3．3．2纳米颗粒受限环境中的高分子链

3．4本章小结

参考文献

第四章纳米颗粒对高分子熔体的动力学和构象的影响

4．1引言

4．2模型和模拟方法

4．3结果与讨论

4．3．1纯柔性高分子熔体

4．3．2纳米颗粒受限的柔性高分子熔体

4．3．3高分子链的刚性效应

4．4本章小结

参考文献

第五章全文总结与展望

5．1总结

5．2展望

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢