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聚合物分子链间的缠结结构不仅形成了材料独特的黏弹性,而且对许多其他性能和加工过程都有影响,多年来一直是聚合物科学中研究的焦点与难点之一。由于分子链间的穿插是形成这种缠结结构的直接原因,本论文用分子模拟的方法,从高分子链线团间相互穿插的角度来考查体系缠结的微观形成,以及这种结构对链段有序过程及材料力学的贡献。主要工作成果如下:
1.通过应用分子动力学模拟的方法,考察了单链凝聚链球与双链凝聚线团在熔融态下的穿插融合过程。发现该过程与两凝聚链球穿插过程相似,两部分先凝聚成一个整体,然后在表面能和体系熵的作用下逐步穿插均匀;单链的引入使原双链线团质心间距增加,链段彼此邻接程度减弱。
2.为了考查链端基作用,用分子动力学方法比较了环形凝聚链球相互穿插过程与相对应的线形链的不同。发现线形链端基在绝大多数时刻浮动于体系的表面层,尽管具有较高的活动能力,但对链整体扩散的贡献并不明显。结构特征和动态行为的比较没有发现两种链体系的运动有明显差异,说明线形链端基失去了在本体中引导链穿插的作用。
3.通过分子动力学方法研究了不同分子量的两凝聚链球真空中穿插融合过程。发现分子量从低于到高于临界缠结分子量的范围,穿插达到近平衡的时间τ与链长N有τ~N2成立;穿插近均匀时两链间的相互作用在临界缠结分子量前后表现出不同的链长依赖性,分析结果与实验的拉伸强度进行了关联,讨论了链段穿插与缠结的关系。
4.通过分子动力学方法,模拟了具有不同穿插程度的聚合物凝聚链体系结晶的初始阶段。结果表明,穿插程度低的体系取向速率快,取向度高,有序结构更完善。同时,对于穿插度较均匀的体系,模拟过程中穿插程度没有明显的下降的变化,表明并未有解缠结现象发生。
5.通过建立的高分子线团互穿热力学模型,描述了解穿插过程自由能A与穿插指数φ的关系,以及穿插指数随分子链质量迁移L的变化过程,其中自由能的计算,是通过RIS-MC方法得到的构象态分布图得到的,而φ~L则是通过三维体积扫描的数值算法(模型一)和本体回转半径的变化量计算(模型二)得到,两部分结合求得了体系解穿插对材料拉伸的力学贡献。两种模型与形变过程中自由能变化的比较发现,体系拉伸过程线团间解穿插引起的力学贡献不容忽视。该工作为进一步研究流场中分子链穿插程度变化的作用提供了模型基础,有待于与实验的关联和验证。