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嵌段共聚物在受限状态下自组装形态的介观模拟

作　者: 杨守红
导　师: 苑世领
学　校: 山东大学
专　业: 物理化学
关键词: 嵌段共聚物自组装限制介观模拟
分类号: O631.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

嵌段共聚物体系在受限状态下的自组装过程,受施限结构体的空间尺寸、界面吸引作用等性质的影响,表现出与本体中不同的相形为。因此人们可以利用这些受限状态下形成的结构制备具有新功能的纳米材料。通过计算机模拟研究嵌段共聚物体系在受限状态下的自组装过程不仅有助于深入探讨嵌段共聚物的相形为的本质,更为预测实验结果和现象提供良好的理论指导方法。本论文使用动态密度泛函方法,系统的研究两嵌段和三嵌段共聚物在管状结构、核-壳型纳米微孔内以及纳米微球外的自组装现象,主要研究内容和结论如下:1.采用介观动力学方法模拟了AB两嵌段共聚物受限在圆柱夹层内的自组装过程,分别研究了嵌段的体积分数、聚合物浓度、嵌段之间的相互作用能和施限体尺寸对相结构的影响。模拟结果表明,嵌段共聚物在这种二维的受限状态下,依据A嵌段的体积分数f_A能够形成不同的相结构,如:穿孔层状相、螺旋状结构等。进一步研究发现,形成的自组装结构不仅依赖于嵌段的体积分数,同时也依赖于聚合物的浓度和不同嵌段之间的相互作用能等。本文在探讨不同参数的影响过程中发现很多新颖的复杂结构,有些甚至是首次出现,如通过选择合适的参数,我们可以观察到类似单壁碳纳米管的结构。这种结构的出现验证了通过嵌段共聚物在受限状态下制备单个纳米结构器件的可能性,同时为制备具有新型功用的纳米器件提供可能的研究思路。2.从两嵌段共聚物体系拓展到对ABA型三嵌段共聚物体系,研究其在核-壳纳米微孔内的自组装结构。通过系统地改变χN和f参数,粗略地绘制出描述ABA三嵌段共聚物微相分离的相图,并且发现四种胶束结构:双层的同心球形层状相、穿孔的双连续相、条带状、以及穿孔相与条带状的杂化结构。研究发现:通过改变施限体的尺寸可以控制相结构,如影响多层的同心球形层状相结构的数目;通过改变施限体表面对不同嵌段的表面吸引可以控制位于施限表面的相组分的种类。3.通过模拟研究聚合物A₄B₉A₄在两个纳米微球的三维限制下形成的自组装结构,分别讨论微球直径、微球间距离以及聚合物浓度对自组装结构的影响。模拟过程中观察到平行球面的蠕虫状结构、平行层状相、垂直球面的柱状相和垂直层状相。对于两个微球限制作用的研究有利于深入探讨多个紧密堆积微球的限制作用,从而了解这些微球在利用双模板制备多尺寸分级有序结构时对聚合物自组装成介孔尺寸结构的影响。本文的研究对两嵌段和三嵌段共聚物在受限状态下自组装的调控和应用提供了科学依据,丰富和加深了人们对嵌段共聚物自组装行为的认识和理解。本论文主要特点和创新点1、通过自编程序,有目的的修改商业软件MesoDyn自带的计算模型,并作为后续模拟中使用的施限体。这种根据自身需要修改施限体的方法大大扩展了此软件模拟的范围。2、通过计算机模拟发现很多新颖、复杂、有特点的结构,它们的出现将在制备新型功能纳米材料上发挥重要的作用。

全文目录

中文摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章前言  11-28
  1.1 概述  11-12
  1.2 嵌段共聚物的自组装研究  12-18
    1.2.1 本体中嵌段共聚物的自组装结构  12-14
    1.2.2 受限状态下嵌段共聚物的自组装研究  14-18
  1.3 计算机模拟在高分子科学领域的应用  18-24
    1.3.1 Monte Carlo方法  18-20
    1.3.2 介观动力学  20-24
  1.4 本课题研究的主要内容和意义  24
  参考文献  24-28
第二章计算方法  28-36
  2.1 介观动力学理论  28-32
  2.2 模拟参数  32-33
  参考文献  33-36
第三章两嵌段共聚物在管状结构限制下的自组装  36-48
  3.1 引言  36-37
  3.2 模型与方法  37
  3.3 模拟结果  37-46
    3.3.1 嵌段的体积分数对自组装形态的影响  37-41
    3.3.2 聚合物浓度对自组装形态的影响  41-42
    3.3.3 嵌段之间的相互作用对自组装形态的影响  42-43
    3.3.4 施限体直径对自组装形态的影响  43-45
    3.3.5 模拟时间对自组装形态的影响  45-46
  3.4 本章小结  46
  参考文献  46-48
第四章三嵌段共聚物在核-壳纳米微球内的自组装  48-60
  4.1 引言  48-49
  4.2 模型与方法  49-50
  4.3 模拟结果  50-58
    4.3.1 xN和f对自组装形态的影响  50-51
    4.3.2 施限体的空间尺寸对自组装形态的影响  51-55
    4.3.3 施限体表面的优先选择性对自组装形态的影响  55-58
  4.4 本章小结  58
  参考文献  58-60
第五章三嵌段共聚物在纳米微球外的自组装  60-72
  5.1 引言  60-62
  5.2 模型与方法  62-63
  5.3 模拟结果  63-70
    5.3.1 微球尺寸对聚合物微观相分离的影响  63-65
    5.3.2 两微球间距离对聚合物微观相分离的影响  65-68
    5.3.3 浓度对聚合物微观相分离的影响  68-70
  5.4 本章小结  70
  参考文献  70-72
致谢  72-73
硕士期间发表论文  73-74
学位论文评阅及答辩情况表  74

嵌段共聚物在受限状态下自组装形态的介观模拟

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