两亲性无规共聚物自组装的耗散粒子动力学模拟

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相对于嵌段共聚物,两亲性无规共聚物简单易得、来源丰富,更有潜在的工业应用价值。而计算机分子模拟可以有效弥补在实验研究聚合物微观结构及其性质技术上的缺陷。采用计算机模拟技术,从目标分子结构上预测大分子聚集形态,到从其微观性质预测高分子材料的宏观和介观性质,已经成为高分子科学领域新的研究方向。本论文采用耗散粒子动力学方法模拟了两亲性无规共聚物在溶液中自组装微相分离行为,内容主要包括三个部分。1、采用耗散粒子动力学方法模拟两亲性二元无规共聚物在溶液中自组装球形胶束表面的亲水性能。模拟中,建立不同疏水/亲水粒子数量比(r)的无规共聚物粗粒化模型,将球形胶束沿质心的径向方向分为8层,用最外层中亲水粒子相对含量来衡量球形胶束表面的亲水性能。模拟表明随着共聚物中亲水粒子含量增加,球形胶束表面亲水性增强;随着疏水粒子与溶剂粒子的排斥参数(aBS)增大,球形胶束表面亲水性增强;随着亲水粒子与溶剂粒子的排斥参数(aAS)减小,球形胶束表面亲水性增强;随着自组装模拟时间的增加,球形胶束表面亲水性增强。此外,研究发现随着共聚物的体积分数增加,球形胶束粒径增大并将逐渐依次转变为棒状、穿孔层状、层状胶束。2、采用耗散粒子动力学方法对两亲性无规共聚物在溶液中自组装形成囊泡结构进行了模拟,主要考察了亲水单体含量、溶剂的选择性对囊泡形成影响。模拟发现,固定aBS=75,在r=1,aAS=25;r=1.5,2,aAS=20;r=3,aAS=15时,无规共聚物自组装得到囊泡结构。当r=1.5,固定aAS=20,发现随着aBS增加,囊泡的内孔尺寸减小;当aBS增加至130,无规共聚物自组装得到实心球形胶束。此外改变aAS可以使球形胶束与囊泡之间发生相互转变。通过对囊泡形成的动力学途径研究发现,当r=1.5,aAS=20,aBS=75时,囊泡的形成途径如下:层状胶束弯曲得到碗状胶束,碗状胶束包裹溶剂粒子形成囊泡。当r=1,aAS=25,aBS=75时,囊泡的形成途径如下:无规共聚物首先自组装得到具有亲水内核的球形胶束,溶剂粒子扩散到亲水内核中得到囊泡。3、首先用耗散粒子动力学方法模拟了两亲性三元无规共聚物在溶液中的自组装,其中固定aAS=30,aCS=80,改变亲水粒子B与溶剂粒子之间相互排斥参数(aBS)来研究球形胶束表面亲水性能。随着aBS的增加,球形胶束表面亲水性能减弱。此外合成了双亲三元无规聚合物P(St-co-AA-co-DM),并且在溶剂中自组装。实验结果表明胶束的粒径对pH具有相应性。
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