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高分子是由单体通过共价键相连而成的链状大分子,它们是一类与人们生活密切相关的非常重要的物质,纤维、塑料、橡胶、涂料等常用的高分子材料已渗入到我们生活中的方方面面。在这些高分子中又有超过2/3的是结晶高分子。对结晶高分子进行研究从而指导生产工艺中高分子结晶条件的控制就显得非常重要,如怎样降低高分子成核位垒从而加速结晶等。
目前研究高分子结晶的方法除了理论和实验之外,计算机模拟已成为第三种重要的研究方法。其中Monte Carlo模拟以其模型的简单性、计算的高效性在高分子领域得到了广泛的应用。通过Monte Carlo模拟我们可以在三维格子空间中从分子水平上考察链的运动以及结晶成核的微观机理。
我们主要采用三维格子空间中的动态Monte Carlo模拟对高分子体系中液液相分离和结晶成核的相互作用研究,包括高分子溶液中液液相分离对均相成核的调制及液液相分离形成的相界面对结晶成核的影响。
第一章,我们简要介绍高分子领域中的一些基本知识,包括高分子聚集体的一些基本存在形式,如溶液、介晶态、共混物和熔体;在这些高分子聚集体中主要存在两种基本的相变过程过程:结晶和液液相分离。对这些基本知识的理解对于我们下面的工作会有很大的帮助。此外,我们还重点介绍了如何用平均场格子统计理论来计算高分子体系的熔融曲线和液液相分离曲线,因为在我们的工作中主要通过平均场理论计算得到的这些相图来指导我们的模拟工作。
第二章,介绍了动态Monte Carlo模拟的基本原理以及我们所采用的算法。在我们的模型中我们采用的是简单立方格子空间,每个格点的最近邻位置格点数有26个,每个键可以有总共13个取向。在我们的模型中主要引入了两种运动模式:单格点跳跃和局域蛇行,两种模式的结合加快了体系的松弛,提高了模拟运算的效率。为了提高抽样效率,我们采用Metropolis重要性抽样方法。在实际模拟中,我们引入三个作用参数来模拟体系的结晶和液液相分离行为。
第三章,我们用Monte carlo方法模拟研究高分子溶液中液液相分离对均相成核的调制。在平均场理论计算所得到相图的指导下我们为体系选取了三组能量参数,使它们在浓度为0.125时具有相同的平衡结晶温度和不同的液液相分离趋势,从而可以在该浓度很好的研究液液相分离对结晶成核的影响。我们首先研究了均相成核的动力学相图,发现液液相分离的调制使均相成核的转变温度几乎不变。通过对形态的观察和结构因子的分析,我们发现有液液相分离调制的体系结晶得到的晶粒大小和分布更加均匀。最后,我们通过追踪结晶初期结构因子的演化,证实了以上这些现象确实是由早期液液相分离对结晶的调制引起的。
第四章,我们用Monte Carlo方法模拟研究了高分子共混物和高分子溶液中液液相分离所形成的相界面对结晶成核的诱导。在高分子共混物中,我们发现在有相分离驱动力时,结晶比较偏向在相界面附近发生;而在高分子溶液中,只有在相分离驱动力比较大时,界面才诱导结晶成核。此外,在高分子溶液中,相分离驱动力的增加加速结晶成核要比在高分子共混物中显著的多。在高分子共混物中相界面对结晶成核的取向几乎没有影响,而在高分子溶液中,相分离驱动力比较大时,界面诱导成核取向偏向于垂直于界面。从平均场格子统计理论得到的相图能很好的对这些现象进行解释。
我们工作的主要创新点如下:
1、在高分子溶液中,旋节线相分离对高分子结晶成核的调制作用可以指导我们获得性能更好的材料。
2、在高分子共混物中,相表面在有相分离驱动力存在下可以诱导表面结晶成核。
3、在高分子溶液中,只有在相分离驱动力足够大时相表面才诱导表面结晶成核。