耗散粒子动力学在介观模拟方面的应用.docVIP

学科前沿知识讲座论文 姓名：******* 班级：******** 学号：09****** 日期： 2012年 11月 4日 耗散粒子动力学在介观模拟方面的应用 摘要: 本文介绍了耗散粒子动力学介观模拟方法的原理和应用。重点阐述了耗散粒子动力学方法在材料研究领域中的应用, 包括嵌段共聚物在水溶液中的聚集行为、聚合物和表面活性剂的相互作用、复杂流体流动的耗散粒子动力学研究、嵌段共聚物的微相分离等。最后指出了耗散粒子动力学方法在材料领域计算机介观模拟方面的优势和发展潜力。 关键词: 介观模拟;耗散粒子动力学（DPD）;应用 DPD 方法既反映了体系中物质间的微观相互作用, 又体现了物质团簇的流体力学行为, 可用于模拟表面活性剂溶液、共聚物熔体等复杂流体的介观结构。目前DPD 在国际上已经用于单链的静态与动态性质、膜与囊泡、胶束的形态、嵌段共聚物的相分离、纳米粒子与聚合物的复合等许多方面的研究。国内研究者在DPD 方面也开展了卓有成效的应用性工作。例如, 杨小震等用DPD 方法研究了聚合物材料的玻璃化转变温度性质以及界面张力对共混物形态结构的影响。苑世领等研究了聚合物与表面活性剂的相互作用, 以及水溶液中聚合物聚集的动力学变化过程。 共聚高分子和表面活性剂溶液是两个典型的具有多尺度结构的复杂物系。共聚高分子不同尺度的结构对其宏观性能有显著的影响, 表面活性剂溶液则能够形成各种尺寸和形状的胶束和囊泡等结构, 它们常常作为模板用于制备各种具有介观结构的材料。 1 ?? 嵌段共聚在水溶液中的聚集行为?? 嵌段共聚物聚集体在溶液中形成的胶束形态主要受浓度、温度、不同嵌段分子质量分数、共聚物分子链长、溶剂、添加剂和pH 值等的影响。聚氧乙烯( PEO) ??聚氧丙烯( PPO) 类两亲嵌段共聚物, 兼有聚合物和表面活性剂的双重性质, 在合适的条件下可以形成不同的聚集体, 如胶束、双连续相、六角状相、层状相、液晶等。在国内, 苑世领等PL64[ ( PEO) 13 ( PPO) 30 ( PEO) 13 ] 和25R4[ ( PPO) 19 ( PEO) 33 ( PPO) 19 ] 三嵌段聚合物进行了实验研究。PL64 在外层含有两个亲水的嵌段( PEO) , 它能够阻止内层的亲油嵌段( PPO) 与水的接触, 而25R4 是两个亲油的嵌段包围着亲水的嵌段。在给定浓度下, 溶液中聚合物是从分散相、球形胶束、球棒混合胶束到最后形成完全的双连续结构, 不同浓度的聚合物溶液表现出不同的介观结构, 但聚集形态的变化趋势是一致的。当浓度达到40% 时, PL64 体系中已出现双连续结构, 由于25R4 其亲油段( PPO) 在聚合物两端, 而且聚合物链也较长, 直到浓度达70% 时才完全变成双连续结构, 比较而言, PL64 在低浓度时更容易形成双连续相。综上, 嵌段共聚物两端为亲水的链段, 聚合物更容易形成球形胶束, 而且这种球形胶束开始向双连续相变化的浓度较小, 而共聚物两端为亲油嵌段的共聚物, 则在较高的聚合物浓度下形成双连续相。 赵英等研究了Pl23( PEO20??PP070??PEO20 ) 三嵌段共聚物水溶液体系形成胶束化结构和凝胶化的行为, 当浓度较低且PPO 嵌段足够长时, PEO??PPO??PEO 分子在水溶液中会形成胶束。在浓度较高时,该嵌段共聚物的水溶液会形成凝胶, 这种凝胶能在体温下成为温敏性物理凝胶, 并且具有可逆性。文中考察了P123 的体积分数从2% ~ 40%的凝胶行为, 在体积分数2% ~ 10%较低时, P123 在水溶液中形成球形胶束, 体积分数升高到20%时, 会形成柱状胶束, 到30% 和40% 时, 观察到P123 形成了具有三维网络结构的凝胶。还研究了P123 体积分数为40% 的水溶液形成凝胶的过程。他从分子水平上深入了解高分子溶液凝胶化的机理。 张新波等用DPD 模拟了刚性??柔性嵌段共聚PAn??PEG??PAn( 聚苯胺??聚乙二醇??聚苯胺) 水溶液中的介观相分离, 考察了浓度和嵌段比对嵌段共聚物自组装影响的规律, 随着嵌段共聚物质量分数的增加, 此类嵌段聚合物都先后自组装形成分散相、球状、柱状、有孔的层状、层状和连续相。在低浓度下, 嵌段共聚物PAn 段摩尔分数低时, 基本形成以憎水的PAn 为壳, 以亲水PEG 为核的球体, 并且球的表面较光滑, PAn 链段的摩尔分数是89. 5%时, 球的中心是PEG, 中间是PAn, 最外层大部分是PEG, 球面变得更粗糙, 有少量较大的凸起, 当PAn 摩尔分数远大于PEG 时, 即PAn 链段的摩尔分数大于92. 3% 时,形成的球体近似是以PEG 为壳, 以PAn 为核的球体, 球体外壳大部分是亲水段PEG, 并且PEG 聚集成块状, P