平均场理论在嵌段聚合物自组装中的应用

摘要

嵌段聚合物的自组装在功能材料的开发中有着重要的地位，是重要的纳米材料制备方法。嵌段聚合物自组装的相形态可通过调节分子参数(如链的化学组分，链长，组分比例，嵌段连接方式等来控制)，形成五种稳定的相结构(层状相、双连续相、柱状相、球状相和O70)。对高分子聚合反应和聚合物相结构的研究是高分子科学研究中的重要课题，高分子化学家和材料学家所关注的问题是通过何种聚合方法得到想要的聚合物，以及了解分子结构和相结构与其功能存在何种依赖关系，这些问题的解决对材料的最终应用起到关键的作用。由于问题的复杂性以及实验的客观限制，人们希望通过计算机模拟的方法来解决这些问题。计算机模拟不仅突破了实验和理论的限制，而且能够为研究者提供更多有价值的信息。主要研究内容和结果如下： 1.利用实空间自洽场方法，研究嵌段聚合物的结构对于所形成的层状相弹性性能的影响。我们对具有不同结构的三嵌段聚合物(线性和星形三嵌段聚合物)所形成的层状相的弹性模量作了详细的研究。我们用所得到的伸展模量K33和剪切模量K44获得了理论预测的杨氏模量。对于不同结构的模型，我们得到了与实验现象相一致的结果。我们发现星形三嵌段共聚物的弹性模量比相应的线性三嵌段共聚物的弹性性能小。同时我们发现嵌段聚合物的支化会弱化材料的弹性性能；我们认为这种现象是由于支化度减小时平衡态的层状相厚度增大所造成的。而剪切模量的贡献相对于总的弹性性能的贡献可以忽略不计。 2.采用实空间自洽平均场理论，研究在三维空间稀溶液中ABC十字型三嵌段共聚物的微相结构，模拟得到复杂形态的胶束结构，如球形，蠕虫状，三花瓣和四花瓣等微相结构的复杂胶束，得到的这些结构和TimLodge等人在实验中的到的结果一致。模拟也阐明了十字型三嵌段共聚物每个组分的链长对于形成的微相结构的影响，得到了和实验结果一致的依赖关系。不同胶束形态的形成不仅依赖于分子作用参数，同时也依赖于三嵌段共聚合物各个组分的相对链长，不同的链长比例导致不同的微相结构，此外对于蠕虫状微相结构的形成机理也进行了探讨。 3.采用动态密度泛函理论，我们研究了通过控制聚合物溶液成膜过程中溶剂挥发速率来控制三嵌段聚合物自组装。我们的研究结果表明，在低的溶剂挥发速率下我们最终可得到规整的层状微相结构，这用常规方法是很难得到的。当挥发速率升高，体系的规整的层状微相结构开始出现缺陷；进一步升高，最终的相结构与三嵌段聚合物本体的自组装结果相近。我们从动力学角度阐述了溶剂挥发速率对最终相形态的影响。

目录

文摘

英文文摘

第一章 总论

第二章自洽平均场理论研究嵌段聚合物的结构对弹性性能的影响

第三章自洽平均场理论研究共聚物在稀溶液中的自组装行为

第四章 动态密度泛函理论研究嵌段聚合物的自组装与溶剂挥发的关系

附录：

参考文献

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