發(fā)布時(shí)間：2018-11-19 10:15

【摘要】：聚合物在受限環(huán)境中的自組裝結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)行為是軟物質(zhì)領(lǐng)域的兩個(gè)重要研究方向。由于施限體對(duì)聚合物的空間限制及相互作用,使得聚合物表現(xiàn)出與本體完全不同的行為,因此人們可以通過(guò)對(duì)聚合物施限獲得本體無(wú)法得到的納米結(jié)構(gòu)。聚合物在受限環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)研究較為困難,且難以分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一些動(dòng)力學(xué)變化。計(jì)算機(jī)模擬能夠有效地為實(shí)驗(yàn)研究提供一定的理論指導(dǎo)。本文采用計(jì)算機(jī)模擬方法研究受限環(huán)境中的聚合物,研究?jī)?nèi)容主要包括以下兩部分:(1)采用耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法模擬研究rod-coil兩嵌段共聚物在納米管中的自組裝結(jié)構(gòu)。考察了納米管的性質(zhì)、管徑、剛性嵌段的剛性度及剛性嵌段長(zhǎng)度等因素對(duì)自組裝結(jié)構(gòu)的影響,獲得了R6C6兩嵌段共聚物的組裝結(jié)構(gòu)隨管壁性質(zhì)和管徑變化的相圖。在非選擇性和弱選擇性納米管中,我們觀察到堆疊層、單螺旋和雙螺旋。在強(qiáng)選擇性納米管中,隨著管徑的增加,柔性嵌段在納米管內(nèi)部組裝成堆疊層、柱、zigzag(ZZ)、并進(jìn)一步演化成鎖鏈、波紋管和螺旋管等多種新穎的有序結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)ZZ結(jié)構(gòu)是后續(xù)結(jié)構(gòu)的組裝單元,為此我們分析了ZZ結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)形成過(guò)程,發(fā)現(xiàn)柔性嵌段形成的ZZ結(jié)構(gòu)主要是由于強(qiáng)選擇性壁面的吸引,使得剛性嵌段向壁面移動(dòng),并在壁面附近聚集組裝。最后,我們獲得了組裝結(jié)構(gòu)隨鏈長(zhǎng)和管徑變化的相圖,我們的模擬結(jié)果表明剛性嵌段的剛性度、管壁對(duì)嵌段的選擇性、及管徑與本體周期的不匹配的協(xié)同作用導(dǎo)致各種自組裝結(jié)構(gòu)的形成。(2)采用粗�；肿觿�(dòng)力學(xué)方法模擬研究均聚物在平面狹縫中的構(gòu)象及動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。主要考察了均聚物的鏈長(zhǎng)、濃度和狹縫厚度的影響,分析了聚合物在溶液中和狹縫中的差異。隨著狹縫厚度的降低,聚合物鏈經(jīng)歷了從本體的柔性線團(tuán),先壓縮后拉伸的變化趨勢(shì),聚合物鏈的均方回轉(zhuǎn)半徑先下降后升高。聚合物的濃度越小,拉伸趨勢(shì)越明顯。相反,聚合物的濃度越大,壓縮趨勢(shì)越明顯。通過(guò)計(jì)算鏈的自擴(kuò)散系數(shù)DXY和弛豫時(shí)間?,我們發(fā)現(xiàn)鏈長(zhǎng)N80的均聚物鏈為非纏結(jié)鏈,符合Rouse動(dòng)力學(xué)模型,當(dāng)鏈長(zhǎng)N80時(shí),均聚物可視為為纏結(jié)鏈,屬于Reptation動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)于非纏結(jié)鏈,當(dāng)濃度較小時(shí),隨著鏈長(zhǎng)和濃度的增加,以及狹縫厚度的降低,DXY先下降后上升,τ增加,表明空間限制促進(jìn)聚合物鏈沿水平方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)濃度較大時(shí),DXY單調(diào)下降,τ增加,表現(xiàn)為空間限制及鏈相互作用對(duì)聚合物運(yùn)動(dòng)的抑制。對(duì)于纏結(jié)鏈,低濃度下與非纏結(jié)鏈表現(xiàn)一致;高濃度時(shí),隨著鏈長(zhǎng)和濃度的增加,以及狹縫厚度的降低,DXY經(jīng)歷了先上升后下降,τ經(jīng)歷了先下降后上升的變化,主要表現(xiàn)為空間限制效應(yīng)與鏈纏結(jié)作用的相互競(jìng)爭(zhēng)。
[Abstract]:Self-assembly structure and kinetic behavior of polymers in confined environment are two important research directions in soft matter field. Due to the space limitation and interaction of the polymer, the polymer behaves completely different from the bulk, so the nanostructure which can not be obtained by the polymer can be obtained by limiting the polymer. The experimental study of polymer in confined environment is difficult, and it is difficult to analyze some dynamic changes in the experimental process. Computer simulation can effectively provide theoretical guidance for experimental research. In this paper, the polymer in confined environment is studied by computer simulation. The main contents are as follows: (1) the self-assembly structure of rod-coil diblock copolymers in nanotubes is simulated by dissipative particle dynamics method. The effects of the properties of nanotubes, the diameter of the nanotubes, the rigidity of rigid blocks and the length of rigid blocks on the self-assembly structure were investigated. The phase diagrams of the R6C6 diblock copolymers with the variation of the wall properties and the pipe diameters were obtained. In non-selective and weakly selective nanotubes, we observed stacked layers, single helix and double helix. In the highly selective nanotubes, with the increase of the diameter of the nanotubes, the flexible blocks are assembled into stacked layers within the nanotubes, and the column, zigzag (ZZ), further evolves into a variety of novel ordered structures such as chains, corrugated tubes and spiral tubes. We find that the ZZ structure is the assembly unit of the subsequent structure. For this reason, we analyze the dynamic forming process of the ZZ structure. We find that the flexible block formed by the ZZ structure is mainly due to the attraction of the strongly selective wall, which makes the rigid block move toward the wall. And assembled near the wall. Finally, we obtain the phase diagram of the assembly structure with the length of the chain and the diameter of the pipe. Our simulation results show that the rigidity of the rigid block, the selectivity of the pipe wall to the block, The synergetic effect of the mismatch between the diameter of the tube and the period of the body leads to the formation of various self-assembled structures. (2) the conformation and kinetic properties of homopolymer in plane slit are studied by means of coarse-grained molecular dynamics method. The effects of chain length, concentration and slit thickness of homopolymer were investigated, and the difference of polymer in solution and slit was analyzed. With the decrease of slit thickness, the polymer chain experienced the change trend of the flexible coils from the body, first compressed and then stretched, and the mean square radius of rotation of the polymer chain first decreased and then increased. The lower the concentration of polymer, the more obvious the tensile trend. On the contrary, the higher the polymer concentration, the more obvious the compression trend. By calculating the chain self-diffusion coefficient (DXY) and relaxation time, we find that the homopolymer chain with chain length N80 is a non-entangled chain, which accords with the Rouse kinetic model. When the chain length is N80, the homopolymer can be regarded as a entangled chain, which belongs to the Reptation kinetic model. For non-entangled chains, with the increase of chain length and concentration, and the decrease of slit thickness, DXY decreases first and then increases, 蟿 increases when the concentration is small, which indicates that space restriction can promote the movement of polymer chains along the horizontal direction. When the concentration is high, DXY decreases monotonously and 蟿 increases, which shows that the restriction of space and the inhibition of chain interaction on the movement of polymer. For entangled chain, it is consistent with non-entangled chain at low concentration. At high concentration, with the increase of chain length and concentration, and the decrease of slit thickness, the DXY goes up first and then decreases, 蟿 goes through the change of decreasing first and then rising, which mainly shows the competition between spatial restriction effect and chain entanglement.
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：O631.1

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本文編號(hào)：2341998