嵌段共聚物的微相分离形态及相图自洽场理论研究

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由两种以上的单体单元组成的聚合物称为共聚物,按其不同的连接方式可分为交替共聚物、接枝共聚物、无规共聚物和嵌段共聚物。由于各组分之间以共价键相连接,不能发生宏观上的相分离,而只能发生微观上的相分离,嵌段共聚物根据链拓扑结构的不同可以分为线型、星型、梳型及环状等,这些不同构型的分子可以自组装成丰富多彩的相形态,从而能够形成复杂的纳米结构(特征尺寸处于5-100nm),其对材料的性能和应用起着重要的作用。本论文基于高分子体系的自洽场理论,对于特定拓扑结构的嵌段高分子体系的微相分离进行研究,并且对已有的自洽场数值解法进行一定的改进。论文包括两部分:第一部分:相对于AB两嵌段共聚物,ABC三嵌段共聚物由于增加一种组分使得微观形态的预测变得更加困难。综合以前实验和理论的研究得到影响ABC三嵌段共聚物相分离的主要因素有:体积分数,相互作用参数,拓扑结构,ABC的排列顺序。我们选择文献中未见报道的环状ABC三嵌段共聚物为研究对象。环状嵌段共聚物的单链和其它的线型、星型、π型相比,它没有端点,我们有理由相信它会产生不同的相行为。过去对于AB两嵌段环状和其他拓扑结构的体系相分离行为的差异已经做了大量的研究,其差异主要集中在相转变温度、相区尺寸上。这一章中我们应用SCFT的实空间解法来研究环状ABC三嵌段共聚物的相行为,比较线型、星型、环状体系之间在相分离行为上的主要差别,得到九种不同的相形态,分别为(1)六角格子状相(Hexagonal Lattice Phase,HEX);(2)三色层状相(There-Color Lamellae LAM3);(3)壳核六角柱状相(Core-ShellHexagonal Lattice Phase,CSH);(4)三色蜂窝六角相(There Color HexagonalHoneycomb Phase,HEX3);(5)界面有珠子的层状相(Lamellae Phase with beads atthe interface,LAM+BD+I);(6)交替珠子层状相(Lamellae Phase with AlternatingBeads,LAM+BD);(7)八角-八角-四角相(Octagon-Octagon-Tetragon Phase,OOT);(8)八角-四角-四角相(Octagon-Tetragon-Tetragon Phase,OTT);(9)十角-四角-六角相(DEHT)。我们根据四类不同的相互作用参数,1)χABN =χBCN =χACN = 35 ; 2)χABN=χBCN=χACN= 45; 3)χABN =χBCN = 50,χACN = 25;4)χABN =χBCN = 30,χACN = 50,构建了四张三元相图。当我们比较环状ABC与线型ABC的相区大小时,其不同(DL>DR)主要源于相同链长的线型ABC与环状ABC的均方末端距的不同(Rg linear2=2Rg ring2),尽管如此当我们增大不同嵌段之间的相互作用时,即降低温度时,相应的DR/DL降低,这是因为环状ABC三嵌段共聚物各链段之间以共价键相连接,温度降低其链伸展程度较线型小,故相区尺寸之比降低。这部分工作有助于此类高分子材料的合成以及材料性质研究。第二部分:迄今为止,被广泛应用的SCMFT数值解法有三种:(1)Matsen和Schick的谱方法,这种方法计算精度高,对于能量以及相图边界的确定非常地有效以及计算精确,但需要预先假定体系的对称性;(2)Drolet和Fredrickson提议的筛选法实空间方法,优点是不用假定对称性,易于探测新形态。然而,存在的缺点为数值计算的精度不够高;(3)Rasmussen的伪谱方法,它和实空间不同的是用快速傅立叶(Fourier)变换方法来取代Crank-Nicholson方法来解扩散方程,也不需要预先假定对称性,其能量计算也要比实空间方法精确。在这一章中,我们提议一种利用谱方法来预测新形态的计算思路,其要点是在展开空间相关量的时候,我们直接用完全Fourier级数进行展开,而非根据对称性来构造Fourier级数。这样我们就可以利用谱方法计算精确的特点,同时可以不用假定体系的对称性。我们比较了改进谱方法与经典谱方法在能量计算上的相对差别最大为1%,在相边界的确定,以及形态的搜索上都是比较精确的;我们利用此方法研究了线型ABC三嵌段体系,选择了以前没有系统研究过的第二类FRUSTRATION体系,并且得到相图,同时验证了新近报道的编织相的存在。随着计算能力的发展,该方法将可以在相形态探索领域有广泛的应用。
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