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嵌段共聚物、表面活性剂和蛋白质都是高分子复杂流体,他们在一定的条件下都能形成介观结构。这些体系的宏观性质不仅受其化学键、链节连接性、链节相互作用、排斥体积效应等微观性质的影响,而且更直接的是决定于这些体系的介观结构。因此,研究和发展介观尺度的计算机模拟方法有助于深入理解和探究这些复杂体系的性质和行为。
本论文的主要目的就是研究和发展介观尺度的计算机模拟方法,并致力于将介观模拟方法在研究实际问题时,从定性一致发展到定量一致。论文可以分为两部分:
在第一部分中,论文详细介绍了动态密度泛函理论的理论框架、模型构建以及数值计算,并用动态密度泛函理论分别模拟研究了稳定剪切流场对对称嵌段共聚物熔体多轴层状结构的影响以及高分子表面活性剂自聚效应对溶液介观结构的影响,模拟结果与实验现象达到定性一致。
在第二部分中,我们在深入研究动态密度泛函理论的基础上,结合基于统计力学的流体分子状态方程,提出了一个新的介观尺度的计算机模拟方法——基于状态方程的动态密度泛函理论(EOS-basedDDFT)。与动态密度泛函理论相比,EOS-basedDDFT不仅可以模拟研究各种聚合物体系的相分离以及介观结构演化,而且成功避免了非线性自洽场方程组的迭代计算,大大减少了计算量,使得计算效率提高了一个数量级。
结合Hajduk等人的实验结果,论文对聚合物体系可压缩性假设进行了进一步的修正,采用EOS-basedDDFT模拟得到了嵌段共聚物最低有序—无序相转变,并观察到了嵌段共聚物微相分离过程中体系总的链节数的变化,这些模拟结果有助于从计算机模拟的角度去全面正确的理解聚合物体系的相行为。
在应用EOS-basedDDFT研究压力对嵌段共聚物熔体不同相行为的影响中,模拟结果表明压力可以使得嵌段共聚物发生有序—有序相转变或有序—无序相转变,与Hajduk、Russell等人的实验结论一起证明了压力与温度和体积分数一样,也是影响嵌段共聚物介观结构的决定因素之一。
作为本论文的最终目标,即用介观尺度的模拟方法定量研究实际聚合物体系,EOS-basedDDFT模拟了聚苯乙烯/聚丁二烯共混物体系的微相分离和介观结构。模型参数直接从实验测得的纯组分pVT数据通过流体状态方程回归得到,对于三组不同分子量的共混物体系,模拟结果与实验数据达到定量一致。论文还对影响模拟结果的因素进行了分析和讨论。