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高分子结晶学的研究最初是按照小分子结晶模式来研究的,随着越来越多高分子晶体特有现象的发现,小分子结晶理论不再完全适用,人们在此基础上相继提出了一些理论模型来解释高分子结晶的特殊现象,例如Lauritzen-Hoffman模型等。但是,随着高分子结晶研究的深入,人们发现了这些理论模型不能解释的一些现象,所以需要发展更加新颖、更加细致的新方法来认识和研究高分子结晶过程。
计算机模拟是科学研究中的重要方法之一,其中Monte Carlo模拟方法已经广泛应用于模拟格子空间中的高分子链运动和相变行为,并且由胡文兵教授进一步发展用在高分子结晶领域的研究中,从而建立起从分子尺度上观察和研究结晶过程的分子模拟的基本方法体系。本论文就是利用这一方法研究了高分子薄膜中晶体生长和熔融等。
第一章我们概述了三个方面的内容:高分子结晶的研究进展,包括高分子晶体形态,晶体生长理论模型,例如Lauritzen-Hoffman模型等;高分子晶体熔融的研究进展,主要是熔融动力学的控制机理;以及高分子薄膜受限结晶的研究进展,重点是与本体不同的晶体形态和生长动力学。
第二章我们简单介绍了采用的Monte Carlo模拟方法和Metropolis抽样方法。一般是采用具有周期循环边界条件的立方原胞格子模型,分子链占据其中的格点,进行微松弛滑移运动。通过计算运动前后两个状态的能量差来判断此运动是否接受,这样就能模拟高分子的结晶,熔融和相分离等相变过程。
第三章我们介绍了对高分子薄膜中平躺flat-on片晶和侧立edge-on片晶的生长动力学的研究结果。我们发现平躺片晶的生长速率随着薄膜厚度的降低而减小,我们的模拟结果证明了此变化关系是由片晶厚度决定的,这一点根据控制晶体生长速率的驱动力项能够得到很好的解释。对于侧立片晶,其生长速率与薄膜厚度也有类似的变化关系,并发现生长速率是由片晶宽度控制的。
第四章我们介绍了高分子薄膜中单晶的熔融动力学研究结果。我们发现高分子晶体的熔融速率与生长速率在同一曲线上,而且熔融速率与温度呈线性关系,并具有Regime Transition现象,说明高分子晶体熔融动力学与生长一样由成核控制,在微观上是晶体生长的可逆过程。根据单链的微观熔融过程,证明针对晶体生长提出的链内成核理论,可以用来解释熔融的微观机理。
第五章我们介绍了高分子半晶织态结构的形成过程,发现在两相邻片晶间的无定形层中,一片晶生长受到阻碍而逐渐消失。我们认为是在两片晶间无定形层中的分子环loop和分子纤毛cilia阻挡了新生片晶的生长,这也是高分子半晶织态结构形成的内在原因之一。
第六章我们总结了本论文的主要内容和结论,并进行了展望。