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拉伸和流动诱导聚合物结晶的分子模拟

作　者: 聂仪晶
导　师: 胡文兵
学　校: 南京大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 高分子结晶单体单元高分子链应变诱导结晶聚合物结晶成核长链前驱体晶体剪切流场 copolymer 高分子体系 chains 链段晶核形成共聚物体系 shish 结晶度 stretching 构象熵
分类号: O631
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在我们通常使用的高分子材料中,其体积产量的三分之二以上是可结晶的。结晶对高分子材料的物理性能起着至关重要的作用,因此研究和掌握高分子材料的结晶机理是我们制备高性能高分子材料的基础。高分子在加工成型或者使用过程中,其半结晶聚集态结构会由于拉伸或流动剪切变形发生很大的变化。而这种聚集态结构上的变化直接影响到材料的力学性能,所以在拉伸和流动场作用下的高分子结晶一直都是高分子物理界最重要最受关注的领域。相比于理论和实验,计算机分子模拟有着自己独特的优势,可以有效地弥补其他两种研究手段的不足。主要的分子模拟方法有分子动力学、布朗动力学及Monte Carlo模拟方法等。其中Monte Carlo模拟方法已经广泛地应用于高分子领域,如高分子链的构象统计、高分子链动力学及橡胶网络的拉伸等等。胡文兵教授等人在格子空间中利用Monte Carlo模拟方法深入系统地研究了高分子结晶的许多特殊现象,成功地解释了这些结晶现象的微观机理。本论文在这种方法的基础上,对拉伸和剪切场作用下的高分子结晶行为进行了系统的研究。第一章,我们先介绍了高分子结晶的一些基本理论。到目前为止,为了解释高分子结晶的一些特有现象,出现了不同的晶体生长动力学模型,如高分子结晶成核的两种基本模型：折叠链成核和缨状胶束成核。随后我们概述了在拉伸诱导结晶及剪切诱导结晶领域所取得的一些重要成果,同时也总结了尚未被解开的困扰人们的难题,比如串晶(也称羊肉串Shish-kebab晶)的Shish形成之前出现的前驱体的微观结构和特征是什么；长短链在形成Shish过程中各自起到什么作用等等。而本论文正是试图解答这些难题。第二章,我们介绍了本论文中使用的模拟方法-Monte Carlo模拟方法的原理、所使用的分子模型及抽样方法等。我们使用的是在格子空间中的Monte Carlo模拟。研究对象是链状分子。这些链状分子可以在格子空间中通过单格点跳跃和沿着链的局部蛇形运动来改变自身的构象。为模拟高分子结晶现象,我们引入了各向异性的平行排列相互作用能(对应于结晶焓)。第三章,我们着重研究了拉伸诱导的高分子结晶。我们建立了一种均匀拉伸高分子体系的方法,并在拉伸过程中成功地实现了仿射形变。我们发现,在拉伸过程中存在着链内成核模式与链间成核模式的竞争。拉伸会引起成核模式从链内成核到链间成核的转变。在高温区的拉伸过程中,高分子晶体结构存在一个分阶段演变的过程。首先,取向的无规链段部分采取链间成核方式形成晶核,随后采用链折叠的方式进行晶体生长,而到了高应变区,继续拉伸会将晶体中的折叠链拉直形成伸直链的微纤结构。第四章,我们研究了拉伸过程中共聚物微观结构的变化。拉伸会增强单体单元的序列分凝。拉伸诱导的晶核在取向的单体单元序列的聚集区内首先出现。在晶体生长过程中,对于共聚单元含量较低的共聚物,其在发生结晶之前的早期拉伸过程中已发生了一定程度的序列分凝,此时会形成折叠链晶体；对于共聚单元含量较高的共聚物,由于短单体单元序列增加,序列分凝困难,在结晶过程中会形成以链间堆砌排列为主的小晶块。第五章,在本章中,我们构建了一种速度分布对称的剪切流场,目的是为了消除硬墙引起的模板效应。随后我们研究了在这种流场下长短链混合体系的结晶过程。在剪切过程中,除了长链会伸展之外,长短链之间也会发生相分离,从而形成取向的长链链段的聚集区。研究结果发现,早期形成的晶核在该聚集区内首先形成,这意味着这些取向的长链链段的聚集区正是Shish的前驱体。同时我们还发现,长短链均参与了Shish的形成,它们之间存在协同效应,即取向的长链起到降低构象熵和提高前驱体稳定性的作用；而扩散速度快的短链参与形成Shish可以降低扩散活化能。随着长链含量的增加,结晶速度、晶体取向度均在提高,同时还引起了晶体形貌从局部取向的晶体转变为Shish-kebab结构。通过改变不同的剪切温度和强度,我们得到了三种不同特征的前驱体,并研究了在流场中的结晶过程,发现剪切流场对结晶是一把双刃剑。较小的流场强度和较大的流场强度均不利于结晶。本章的最后,我们研究了Shish-kebab晶体的熔融及记忆效应。我们发现在晶体完全熔融之后,熔体中依然含有局部的取向和相分离区域。第六章,我们总结了论文中主要的结论,同时提出了未来的研究方向。

全文目录

中文摘要  7-10
英文摘要  10-13
研究结果和创新之处  13-14
第一章高分子结晶学  14-38
  1.1 高分子结晶成核  14-16
  1.2 高分子晶体生长  16-19
    1.2.1 高分子结晶的热力学理论  17
    1.2.2 高分子晶体生长的动力学理论  17-19
  1.3 应变诱导高分子结晶  19-29
    1.3.1 拉伸诱导高分子结晶  20-22
    1.3.2 剪切诱导高分子结晶  22-29
  1.4 本章小结  29-30
  参考文献  30-38
第二章 Monte Carlo模拟方法  38-47
  2.1 Monte Carlo模拟的原理  38-39
  2.2 高分子的Monte Carlo模拟研究  39-40
  2.3 高分子链及其运动的模型  40-44
    2.3.1 格子空间及边界条件  40-41
    2.3.2 高分子链的运动模式  41-42
    2.3.3 模拟中引入的相互作用参数  42-43
    2.3.4 模拟过程  43-44
  2.4 本章小结  44-45
  参考文献  45-47
第三章拉伸诱导高分子结晶  47-66
  3.1 拉伸诱导高分子结晶的研究背景  47
  3.2 模拟方法  47-50
  3.3 拉伸诱导高分子结晶成核  50-55
  3.4 拉伸诱导的高分子晶体的分阶段结构演变  55-62
  3.5 本章小结  62-64
  参考文献  64-66
第四章拉伸诱导无规共聚物结晶  66-86
  4.1 拉伸诱导共聚物结晶的研究进展  66-67
  4.2 模拟方法  67-68
  4.3 拉伸诱导共聚物结晶的起始应变  68-71
  4.4 拉伸诱导共聚物结晶成核  71-80
  4.5 拉伸诱导共聚物晶体生长  80-83
  4.6 本章小结  83-84
  参考文献  84-86
第五章剪切诱导高分子结晶  86-129
  5.1 剪切诱导高分子结晶的研究进展  86
  5.2 模拟方法  86-89
  5.3 前驱体及Shish的形成机理  89-101
    5.3.1 模拟的剪切流场的速度分布  89
    5.3.2 剪切诱导的高分子形变及相分离  89-95
    5.3.3 Shish的形成  95-96
    5.3.4 前驱体的形成及转化为Shish  96-100
    5.3.5 Shish-kebab结构  100-101
  5.4 长链含量对Shish-kebab结构的影响  101-107
    5.4.1 长链含量对前驱体形成的影响  101-103
    5.4.2 长链含量对晶体结构的影响  103-107
  5.5 剪切温度及流场强度对前驱体形成的影响  107-118
    5.5.1 不同温度-剪切强度区域形成不同的前驱体  109-114
    5.5.2 形成不同的前驱体的机理  114-116
    5.5.3 在剪切流场下的结晶过程  116-118
  5.6 Shish-kebab结构的熔融及记忆效应  118-123
    5.6.1 Shish-kebab晶体在升温过程的熔融  118-121
    5.6.2 熔体的记忆效应  121-123
  5.7 本章小结  123-125
  参考文献  125-129
第六章总结和展望  129-131
已发表和待发表论文  131-133
致谢  133-134

拉伸和流动诱导聚合物结晶的分子模拟

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