剪切流下非缠结高分子的结构和流变性质研究

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高分子流变学对于完善和充实非平衡态高分子理论有着重要的意义,同时在许多方面都有着巨大的应用前景,比如:石油加工和运输、纺丝生产等方面,高分子流变学都起到了重要的基础性指导作用。随着科学技术的不断发展,单一组分,单一结构的高分子流体已经不能满足人们对高分子材料的需求,人们通常将两种或多种均聚物共混或者不同拓扑结构的均聚物共混来制备性能优异的高分子材料,因而需要深入了解剪切流下高分子共混物的结构和流变性质,进而有效解决工业生产中的实际问题。由于高分子链间和高分子链内的相互作用十分复杂,在理论研究中需要引入大量的数学或者物理近似;在实验方面,由于单分散的样品在合成上非常困难,价格上也非常昂贵,并且很难改变体系中粒子之间的相互作用参数,所以无法系统而深入地研究这些参数对于流变学性质的影响。计算机模拟的出现克服了上述困难,事实上,从目前来看,计算机模拟技术已经成为了人们探寻高分子物理学领域宏观现象和分子微观机理中必不可少的研究方法和手段。在本论文中,我们选择了适用于该体系的分子动力学模拟方法(MolecularDynamics Simulation,MD),这主要基于以下两点考虑:第一,对于我们研究的不同结构的高分子体系而言,要求模拟的粒子数量不是很大;第二,作为这一领域研究的初始阶段,我们同时关注其宏观流变学性质和微观结构性质。  本论文利用分子动力学模拟方法(Molecular Dynamics Simulation,MD),从宏观和微观角度研究了剪切流下非缠结高分子及其共混物的结构和流变学性质,具体考察了H型高分子桥长和臂长对于流变学和微观结构性质的影响,线形高分子和环形高分子共混物的组分比例对于流变学性质和微观结构性质的影响,主要研究工作如下:  1.H型高分子的流变学行为的研究:  开展了相同分子量不同桥长和臂长的H型高分子的研究:我们选取分子量固定的H型高分子,它们臂长和桥长的比例各不相同,来观察臂长和桥长的变化对体系流变学性质和微观结构的影响。结果表明:当H型高分子臂长较长而桥长相对较短时候,H型高分子的性质接近于四臂星型高分子;当H型高分子臂长较短而桥长相对较长的时候,H型高分子的性质接近于线形高分子。  H型高分子因其独特的分子结构很适合充当连接线形高分子链和四臂星形高分子链的桥梁,由此可以进一步认识高分子的拓扑结构和高分子流变学性质之间的关系。  2.线形链和环形链共混物的流变学行为的研究:  对比研究了线形-环形高分子二元共混物的宏观流变学行为和微观拓扑结构。过去有相关文献阐明了对于非缠结体系下不同拓扑结构高分子链,其零切粘度存在以下关系:η0=Cη,其中Cη为一个常数,为平衡态下的均方回转半径,上述的公式同时也表明零切粘度与拓扑结构并无关,只与尺寸有关。基于此,我们选定从分子量和均方回转半径两个角度观察来线形-环形高分子二元共混物的宏观流变学行为和微观拓扑结构。得到如下结果:  (1)相同分子量的线形-环形二元共混物的研究:我们选取组分比例不同但分子量相同线形高分子链和环形高分子链二元共混物进行对比分析,发现当线形高分子链组分占比相对较多时其流变学性质和微观结构接近于单组份的线形高分子链;当环形高分子链组分占比相对较多时其流变学性质和微观结构接近于单组份的环形高分子链。  (2)相同均方回转半径(分子链尺寸)的线形-环形二元共混物的研究:我们选取组分比例不同但分子链尺寸相同的线形高分子链和环形高分子链二元共混物进行对比分析,发现无论其组分比例如何变化,体系的流变学性质诸如剪切粘度、第一法向应力、第二法向应力等曲线都重合在一起,然而其链拉伸和取向等结构性质却发生变化。  上述的结果使我们进一步认识了高分子流变学性质的微观本质。
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