两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装行为的Monte Carlo模拟

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本论文采用Monte Carlo模拟方法研究了两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装行为。主要研究内容包括:ABA两亲性三嵌段共聚物在双选择性溶剂中的自组装行为;溶剂尺寸对ABA两亲性三嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装行为的影响:变温速率对AB两亲性两嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装与解组装行为的影响;嵌段序列对囊泡形成过程的影响,取得的具体研究结果如下:   1.研究了ABA两亲性三嵌段共聚物在双选择性溶剂中的自组装行为。双选择性溶剂由两种与疏水嵌段B具有不同排斥作用的溶剂混合而成。模拟结果表明,在双选择性溶剂总浓度一定的情况下,随着与B嵌段具有弱排斥作用溶剂体积比的增加,体系中自组装胶束将会发生由囊泡到层状再到环状、棒状直至球状的一系列形貌转变。通过与ABA两亲性嵌段共聚物在单一选择性溶剂中的自组装行为进行比较发现,改变双选择性溶剂中两种溶剂的体积比对于体系胶束形貌结构的影响与在单一选择性溶剂中改变疏水嵌段B与溶剂之间的排斥作用具有等同效果。研究结果有助于人们通过两种选择性溶剂混合的方法实现对选择性溶剂性质的连续调节,进而达到调控嵌段共聚物胶束形貌结构的目的。   2.研究了溶剂尺寸对ABA两亲性三嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装行为的影响。模拟结果表明,溶剂尺寸是决定共聚物聚集体形态的重要因素之一。随着溶剂尺寸的增大,嵌段共聚物自组装胶束将发生从球状到棒状再到囊泡状的转变。通过对A嵌段、B嵌段分别与溶剂的相互作用对数随溶剂尺寸变化的分析发现,增大溶剂尺寸会使溶剂的溶解性降低从而引发体系中的一系列形态转变。此外,我们分别给出了体系自组装形貌结构随溶剂尺寸与B嵌段疏水作用变化的相图以及溶剂尺寸与A嵌段亲水作用变化的相图,为聚合物胶束形貌结构的调控提供了理论的依据。   3.研究了变温速率对AB两亲性两嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装与解组装行为的影响。模拟结果表明,在快速变温条件下,随着温度的快速降低,球状胶束不断融合形成片层状胶束,最后片层状胶束弯曲闭合形成囊泡状胶束。在随后的快速升温过程中,该囊泡状胶束迅速解组装而直接形成球状胶束。而在慢速变温条件下,随着温度的缓慢降低,体系中的球状胶束将演化成棒状胶束,棒弯曲形成拖尾环,拖尾环逐渐演化成环形胶束,环形胶束再融合形成片层状胶束,最后片层弯曲闭合形成囊泡状胶束。在随后的缓慢升温过程中,该囊泡状胶束将经历上述缓慢降温时形态转变的逆过程而最终转变为球形胶束。此外,我们还考察了淬火深度对囊泡形成动力学过程的影响。研究结果表明当体系淬火到一较高温度时,囊泡是由片层弯曲闭合而形成。而当淬火到一较低温度时,囊泡则是通过亲水链段分别向胶束的表面和中心扩散而形成。这些模拟结果使得人们对变温速率对AB两亲性两嵌段共聚物在选择性溶剂中自组装与解组装行为的影响有了更深层次的认识。   4.在研究具有相同链长、组分比,不同嵌段序列的AB两嵌段共聚物与ABA三嵌段共聚物在选择性溶剂中形成囊泡的动力学过程中发现,AB两嵌段共聚物囊泡与ABA三嵌段共聚物囊泡形成的动力学过程不同。在慢速退火条件下,ABA三嵌段共聚物囊泡是通过亲水链段向胶束的表面和中心扩散而形成,而AB两嵌段共聚物囊泡则是由片层弯曲闭合而形成。相对而言,退火速度对AB两嵌段共聚物囊泡形成的动力学过程没有显著影响。该体系中的囊泡状胶束均是通过片层弯曲闭合而形成,退火速度的改变仅会影响亲水链段与疏水链段发生相分离的难易程度。在退火速度较快时,亲水链段和疏水链段发生相分离的速度较快并且相分离发生在囊泡形成之前;而当退火速度较慢时,囊泡形成之后,亲水链段和疏水链段之间的相分离仍在进行。
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