稳态剪切下高分子流变性质的模拟研究

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高分子流变学对于完善非平衡态高分子理论以及指导工业生产都具有重要意义。本论文研究了线形,环形,星形,H形以及棒状高分子体系的流变性质,详细讨论高分子体系的流变性质以及与之对应的结构、动力学性质。本论文主要内容包括以下三个部分。  借助于非平衡态分子动力学,我们研究了非缠结和缠结线形高分子体系的流变、结构以及动力学性质。模拟结果显示,粘度对剪切速率的依赖关系表现为三段行为,即线性区,剪切变稀ST-Ⅰ区和剪切变稀ST-Ⅱ区。线性区((γ)<(τ)-10,(τ)0为分子链的松弛时间)内剪切粘度随着剪切速率增加基本保持不变。非线性区分为ST-Ⅰ和ST-Ⅱ两个区,在这两个区内高分子的流变、结构和动力学性质表现出截然不同的行为。在ST-Ⅰ((τ)-10<(γ)<(γ)c)区,剪切变稀η~(γ)-n的指数n与链长相关,链越长,n越大。而在ST-Ⅱ区((γ)>(γ)c),我们发现了一个与链长无关的η~(γ)-0.37。不仅如此,在ST-Ⅱ区我们还发现第一和第二法向应力也表现出和粘度类似的流场依赖行为,即N1~(γ)2/3和N2~(γ)0.82。从微观角度看,描述取向性质的取向抑制参数mG以及描述链运动性质的tumbling运动频率ftb在ST-Ⅱ区也有类似的行为,即mG~(γ)0.75和ftb~γ0.75。这些结果暗示着在ST-Ⅱ区内可能已经不存在缠结。上述结论让我们进一步理解剪切变稀等现象的微观机理。  采用模拟的方法对比研究了线形,环形,星形以及H形高分子体系的流变行为。结果显示对于非缠结的不同拓扑结构的高分子,其零切粘度存在如下关系:η0=Cη,其中Cη是一个常数,为平衡态下的均方回转半径,上述公式表明零切粘度与拓扑结构无关,只与尺寸有关。对于非等臂的三臂星形链,上述结论也成立,但是对于臂数较多的星形链则不成立。对于相同尺寸的非缠结的不同拓扑结构的高分子链,其松弛时间与拓扑结构之间的依赖性较微弱,但是扩散系数仍然明显依赖于链结构。我们选定了具有相同尺寸的不同拓扑结构的五个体系施加剪切,发现剪切粘度,第一和第二法向应力的曲线都重合在一起,即与拓扑结构无关,但是链拉伸和取向性质则仍然与链结构相关。上述结果使我们进一步认识了高分子体系流变性质的微观本质。  对于棒状高分子,模拟结果重现了实验上观测到的两个重要的流变学现象,三段剪切现象(随剪切速率增加,剪切粘度呈现剪切变稀-平台-剪切变稀的行为)和负值的法向应力现象(随剪切速率增加,第一法向应力呈现正值-负值-正值的行为)。研究发现,对于三段剪切行为,低剪切速率和高剪切速率下的两段剪切变稀行为都是由棒状高分子的滑动导致的,而中等剪切强度下的平台是由棒状高分子的转动造成的。法向应力在中等剪切区域的负值是因为:在该剪切范围内棒的摆动导致有序度降低,而体系趋向于形成高度有序的近晶相,这种趋势导致负应力。
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