高分子结晶与表面界面现象的计算机模拟研究

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高分子结晶是高分子物理的重要问题,虽然已有众多的理论和实验工作对其进行了广泛的研究,但仍存在很多的难点问题。表面界面现象是生产和实践中需要处理的重要问题之一,在新材料的制备和工业生产等方面都起着重要的作用。本文使用分子动力学(MD)模拟和格子玻尔兹曼(LB)方法对这些领域进行了探索,主要结论如下:   1.利用位点序参数(SOP)模型对多链聚乙烯纳米线团的结晶过程进行了研究。我们发现在成核阶段结晶度曲线并存在明显的涨落现象,且涨落幅度不断增大。对Tn=0.7的体系的SOP成像结果表明,在成核阶段体系中由涨落生成了众多的小的有序区,这些有序区并不是连续生长的,而是在涨落作用下迅速的增大或减小,较大尺寸的晶核的生成过程是涨落控制的。体系的临界晶核尺寸为2nm。对小于临界尺寸的晶核的轴向和径向SOP分布的研究表明,在轴向上SOP存在一个对应于晶干长度的平台区,而在径向上不存在这个平台区。这表示晶干侧向的SOP低于轴向的SOP。同时还发现晶干末端的界面层厚度大于径向的界面层厚度。   2.在生长阶段体系的平均晶干长度首先上升,然后达到一个稳定值。晶干尺寸的分布逐渐向较长方向扩展。对初生晶干的长度分布研究发现越短的晶干生成几率越大。对Tn=0.7体系的SOP分布的演化过程的研究表明SOP存在两个峰,即位置在0.075的无定形峰和0.825的结晶峰。无定形峰随时间降低,结晶峰在成核阶段结束后出现,并不断升高。介于二者之间的中等有序区的丰度首先增加,在生长阶段后期(12ns之后)中等有序区的丰度保持稳定。在SOP分布中没有发现在中等有序区的峰,因此不存在具有中等有序度的热力学稳定相。这表明中等有序结构是具有高有序度的晶区的前驱态。对生长前沿的成像结果也表明在生长前沿扩展前原位存在具有中等有序度的链段。我们认为片晶生长是中等有序结构在生长前沿受高有序度结构诱导的有序度涨落的结果。   3.对Tn=0.4和Tn=0.6两个体系中发生的两个典型的片晶融合过程的研究表明,片晶的融合是通过形成较短的连接链段完成的。在连接链段形成后,由相遇的生长前沿开始,片晶内部的链段开始发生取向的调整,使得两个片晶的取向吻合,最终形成完整均一的片晶。片晶间能否发生融合与片晶取向矢间的夹角以及过冷度和穿插程度有关。   4.使用LB方法对液滴在固气复合界面上的浸润现象进行了模拟。我们模拟了两种典型的固气复合界面:连续固体表面和不连续固体表面,结果表明液滴的平衡接触角满足Cassie方程,而液滴的运动过程中存在介稳态。两种界面的后退角都只观察到一个位垒,前进角观察到一至两个位垒。我们发现界面层厚度随固体面积分数的变化存在几个平台,这表明体系的界面性质并不是随着固体面积分数f1的变化而连续变化的。对接触线移动过程的直接观察表明,不连续固体表面的后退过程中也存在不明显的接触线锚定现象,因此存在较低势垒的介稳态。我们又从理论上计算了两种极端的接触线模型得到的平衡接触角,结果表明光滑接触线模型的接触角与Cassie方程一致,而矩形接触线模型的接触角存在几个平台,这与界面层厚度的结果一致。   5.对具有不同碳链长度的烷基硫酸钠表面活性剂分子的泡沫稳定性进行了分子动力学模拟,结果发现十二烷基硫酸钠(SDS)的稳定性能最好。表面活性剂分子形成的界面层厚度越厚则临界膜厚越小。表面活性剂分子的亲水头部距离表面越近,即取向越平行于水表面则临界膜厚越小。表面活性剂分子形成的聚集体大小及其几率都随碳链长度增加而增加。我们认为较短的碳链导致疏水作用的降低,而较长的碳链造成较大的团聚作用,因而SDS的稳定性能最佳。
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