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纳米颗粒对聚合物融体玻璃化转变温度影响的标度理论研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景简介

1.2 聚合物-纳米粒子复合体系

1.2.1 聚合物简介

1.2.2 聚合物的组成结构

1.2.3 聚合物链的运动与玻璃化转变

1.2.4 聚合物-纳米粒子复合物玻璃化转变的相关研究

1.3 本论文研究的主要内容

第二章 分子动力学模拟

2.1 计算机模拟概述

2.2 分子动力学模拟

2.2.1 分子动力学模拟基本原理

2.2.2 分子动力学模拟的系综

2.2.3 分子动力学模拟软件

2.3 本研究的模拟方法

第三章 纳米粒子与聚合物融体链的相互作用动力学

3.1 引言

3.2 模拟初始条件设定

3.3 聚合物链与纳米粒子在一维受限下的相互作用

3.4 聚合物链与纳米粒子在一维受限下形成的有序结构

3.5 本章小结

第四章 纳米粒子运动与聚合物融体玻璃化转变过程中的标度律

4.1 引言

4.2 模拟参量设定与纳米粒子之间熵耗散吸引力的标度模型

4.3 纳米粒子扩散运动与聚合物融体玻璃化转变中的标度关系

4.3.1 聚合物融体-纳米粒子吸引相互作用与纳米粒子的扩散

4.3.2 聚合物融体链的弛豫运动与玻璃化转变过程中的标度关系

4.4 本章小结

总结与展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢

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摘要

聚合物纳米复合材料具有许多优异的力学、光学和电学性能,因此在纳米材料科学与工程领域引起了广泛关注。通常将纳米粒子加入到聚合物基质中,通过调控纳米粒子与聚合物链的相互作用方式,改变纳米粒子在聚合物基质中的分散性,从而获得具有不同宏观行为的复合物。
  聚合物纳米复合材料的微观结构决定了其宏观物理性能,例如粘弹性和玻璃化转变温度等,因此我们可以通过改变纳米粒子与聚合物链的动力学过程来实现相关特征物理量的变化。更具体地说,纳米粒子与聚合物基质相互作用的过程不仅影响纳米粒子的扩散运动,而且对聚合物链的弛豫模式产生影响,从而造成纳米粒子迁移速率以及聚合物融体的玻璃化转变温度增大或减小。在相关物理量之间建立的标度关系式也定量描述了纳米粒子与聚合物基质微观相互作用与宏观性能之间的相互耦合关系。
  本研究采用分子动力学方法对聚合物与纳米粒子之间的相互作用进行动态模拟,改变相关物理参数值的大小,发现体系相关物理量的变化与纳米粒子的浓度、聚合物单体的浓度以及聚合物单体-纳米粒子相互作用强度值密切相关。对于在一维方向上受限的体系,纳米粒子诱导的熵耗散吸引力促使聚合物链在空间一定位置上形成有序的层状结晶结构,通过改变体系中聚合物单体的浓度可以对层状结晶的厚度进行调控。而且,我们给出了决定聚合物结晶情况的两个重要的先决条件,而结晶结构的稳定性则来源于体系中非接触单体转换熵对结晶单体的构型熵的补偿机制。
  对于纳米粒子运动与聚合物融体的玻璃化转变温度之间的关系,通过对建立的标度关系进行分析表明,聚合物与纳米粒子之间的吸引相互作用可以对纳米粒子的扩散产生抑制效应,而且存在聚合物单体-纳米粒子相互作用临界值和吸附时间以决定聚合物链是否吸附在纳米粒子表面,这也伴随着聚合物链弛豫过程加快或减慢,从而影响聚合物链的弛豫过程。根据聚合物玻璃化转变是链段运动的松弛过程这一物理本质,由以上研究与分析,我们得出的结论是:当聚合物单体-纳米粒子相互作用强度小于临界值时,聚合物链并未吸附在纳米粒子表面,聚合物链的弛豫过程加快,相应玻璃化转变温度是减小的,反之,聚合物链吸附在纳米粒子表面,聚合物链弛豫过程减慢,玻璃化转变温度是增大的。通过模拟结果和标度理论预测的拟合,也证实了上述结论。

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