双嵌段共聚物在碳纳米管上自组装形态的粗粒化分子动力学模拟研究

来源 :南京工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qianchen912009
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碳纳米管是一种性能优异的纳米材料,因其具有十分优异的力学强度和化学稳定性在广泛领域已经展现出应用价值。但是碳纳米管与碳纳米管之间的范德华作用力很强,所以碳纳米管一般都聚集成束状很难分开,这一缺陷大大限制了碳纳米管在相关领域的应用。目前采用共价修饰方法和非共价修饰的方法能很好的解决这个问题。但是采用共价化学修饰法很容易破坏碳纳米管的结构。因此,采用一些表面活性剂或者两亲性的生物分子或共聚物修饰碳纳米管是比较适宜的方法。虽然目前通过实验上已经提出很多基于非共价修饰得方法以解决碳纳米管分散性差的问题,但是对于表面活性剂或共聚物在碳纳米管上的吸附形态和确切的结构并未得到了解和认知。此外共聚物大分子在碳纳米管表面吸附自组装也为构造聚合物/碳纳米管超分子杂化结构提供了结构设计和理论机制。采用分子动力学模拟(MD)的方法来研究这些类似的问题已经得到了越来越多人的关注。分子模拟可以为我们提供微观条件下认识这些表面活性剂或者两亲的共聚物在碳纳米管上自组装的过程和机理。通过对这些聚集过程和形态的认知,有利于我们在实际生产中制造一些新型的具有多功能化的材料。然而由于表面活性剂和共聚物一般都是大分子且体系都很复杂,采用全原子或联合原子模拟的模拟计算量十分巨大而且耗时耗力。因此,选用粗粒化模型这种可以满足在较大时间和空间尺度要求的模拟方法。  在本研究中,我们选用粗粒化的模拟方法模拟共聚物聚乙烯-b-聚环氧乙烷(PE-b-PEO)在碳纳米管表面上吸附,整个模拟研究采用Martini-2.0粗粒化力场。研究将揭示其微观动力学吸附过程,同时研究分析共聚物在碳纳米管上聚集的形态和结构。对于共聚物聚乙烯-b-聚环氧乙烷(PE-b-PEO)体系,我们模拟研究了不同浓度的共聚物,不同碳纳米管直径,以及不同嵌段共聚物结构(头基/尾基长度)这三种情况下,PE-b-PEO共聚物在碳纳米管上的自组装结构和形态。  通过对动力学过程的模拟研究,我们发现这类两亲性的聚合物在碳纳米管表面上的吸附大致分为两个过程:一是聚合物在溶液主体相的自组装,并形成团聚物;二是该团聚物整体在碳纳米管表面吸附和结构重组,形成一种周期相间的类似条纹结构。这种周期结构反映了体系中各个组分集团之间相互作用竞争平衡结果。在所有的模拟体系中,研究发现共聚物浓度对其在碳纳米管上的聚集形态和结构有着明显的影响。同时,碳纳米管的直径大小也在一定程度上影响着共聚物的聚集形态。尽管改变共聚物分子中头基与尾基的长度对其自组装结构有一定的影响,但总体上在碳纳米管表面仍然形成这种周期自组装形态。总之,我们模拟研究能够在大尺度分子层面上提供两亲共聚物在碳纳米管上的直观的自组装结构形态,研究结果将对碳纳米管在溶液中的分散以及构造设计新型超分子杂化结构提供理论基础。
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