多组分高分子体系相行为的场论模拟研究

• 作 者: 李伟
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2010年期

自洽平均场理论(SCFT)是平均场层次上假设最少并能描述高分子链构型细节的理论,已经被广泛地应用于高分子体系相行为的研究中。但是,SCFT在研究复杂流动问题上能力有限,而格子玻尔兹曼数值模拟方法(LBM)在研究流体流动上的优势明显。为了能够使SCFT也能处理高分子在剪切流动下的自组装行为,我们提出了连通SCFT和LBM的模拟方法。此外,SCFT主要研究的是高分子在平衡态时的相行为,然而,对高分子材料科学家来说,研究高分子体系的形态结构演化动力学具有更加重要的意义。采用基于自洽场理论的外场动力学(EPD)方法来研究高分子体系的相行为,不仅能给出体系真实的动力学过程,而且能有效地减少计算量。应用上述模拟方法,本文主要研究了以下四部分内容:　　
第一部分:应用实空间的自洽平均场方法(SCFT)研究了线性ABC三嵌段共聚物在均聚物C中的自组装。模拟结果表明,共聚物在均聚物中形成的分散相主要为核壳结构。降低A与C之间的相互作用,可以使核壳结构的成核嵌段发生从嵌段A向嵌段B的转变,并且在转变过程中观察到了多种过度结构,包括带有凸起表面的盘状结构、带有凸起表面的柱状结构以及相互缠绕的柱状结构。另外,降低嵌段共聚物中A嵌段在共混体系中的含量有利于形成以B为核的核壳结构。　　
第二部分:采用实空间的自洽场平均场方法(SCFT)研究了AB两嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装行为。模拟结果表明,两亲性嵌段共聚物在稀溶液中的胶束形态强烈地依赖于溶剂尺寸的大小和共聚物的构象对称性。减小溶剂尺寸和提高共聚物的构象不对称性均可以改变成核链段的伸展程度,使共聚物的胶束形态发生从球到棒再到囊泡的转变,其形态变化主要由熵效应驱动。　　
第三部分:应用连通SCFT和LBM的模拟方法研究了线性ABC三嵌段共聚物体系在简单剪切、震荡剪切和空泡流动中的自组装行为。模拟中主要考察了层状相、核壳六角晶格相和相互贯穿的四角晶格相在三种剪切条件下的相形态。模拟结果表明,剪切速率、震荡频率、空泡流动中顶部的驱动速度以及体系的热历史都会对三嵌段共聚物在剪切流动中的相形态产生重要影响。　　
第四部分:利用外场动力学方法(EPD)研究了T型接枝共聚物对A/B不相容共混体系的增容作用。通过对相分离形态和分散相尺寸的分析,我们发现提高共聚物含量有助于增强共聚物在共混体系中的增容作用,但当达到一定含量后,增容效果不会再有明显提高；当接枝共聚物中A、B组分的体积分数相当时,增容效果最好；接枝共聚物中支链的接枝位置对增容效果的影响十分明显,接枝位置越靠近主链的末端增容效果越好。