含接枝型相容剂聚合物共混体系的耗散粒子动力学模拟

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聚合物共混是常用的聚合物改性的方法之一。由于聚合物之间的共混焓较低,相与相之间易发生宏观相分离,需要加入相容剂以改善界面特性。接枝型相容剂广泛应用于制备高性能的聚合物材料,但至今其结构和组成与相容性的关系仍不明确,依赖于实验。由于影响因素众多,实验方法进行系统研究费时耗力,并且共混材料在合成和加工过程中相分离时间短暂,分析仪器不能直接观察相分离过程以及相容剂在界面的形貌、分布等情况。计算机模拟可以重现相分离过程的微观状况,为分析实验结果提供理论依据,并能有效地指导实验。本文采用耗散粒子动力学(DPD)方法研究含有接枝型相容剂的聚合物共混体系。以聚苯乙烯(PS)与尼龙6(PA6)聚合物为例,通过QSPR的方法建立对应的聚合物A和B的粗粒化模型,研究接枝型共聚物A-g-B及B-g-A对聚合物共混体系A/B的影响,探索采用DPD模拟在聚合物共混材料领域的应用。论文取得以下研究结果:对PS/PA6二元共混体系的粗粒化模型进行DPD模拟,得到了不同配比下PS/PA6二元共混体系的介观尺度相图。随PA6含量增大,体系出现了以下共混物经典相形态:体心立方的球状形态(body centered cubic BCC)、层穿孔形态(hexagonal perforated lamellar HPL)以及共连续形态(ordered bicontinuous double diamond OBDD)、六角形柱状堆积形态(hexagonal packed cylinders HPC)。其中PS/PA680/20、60/40、50/50扫描电子显微镜(SEM)的微观相图与DPD模拟所得的PS/PA680/20、60/40、50/50的介观尺度相形态吻合。考察接枝型相容剂PS-g-PA6对PS/PA690/10共混体系的影响,对比加入相容剂前后的体系相态演变过程,发现相容剂的加入能够加速相平衡过程。相容剂的相容效率可以采用DPD模拟计算的界面张力衡量。当主链PS长度固定,不论支链密度的大小,增加支链长度,界面张力出现先降低,达到最小值后增大的趋势。故设计高效的接枝型相容剂时,增加支链的长度比增加接枝数目对提高相容效率更有效。当相容剂加入量一定时,接枝型相容剂会存在一个最佳的主链/支链配比,在此模拟条件下比值为2/1。主链和支链在界面的分布影响界面层厚度,高效的相容剂的特点是能够在界面产生较大的吸附层,从而增加界面厚度。对具有相同主链长度的相容剂,接枝密度较小,接枝链较长的相容剂能够增加界面厚度,故相容效率较高。考察反相接枝型相容剂B-g-A对A/B90/10体系的影响。发现当B-g-A的主链长度适中(在此模拟条件下为均聚物B链长度的1/5)时,具有较高的相容效率。同时,当主链/支链质量比一定时,接枝密度越小,接枝链越长的相容剂具有较高的相容效率。当接枝型相容剂的主链与分散相相容,而支链与母相相容的反相接枝型相容剂B-g-A,能够更有效地阻止分散相的聚并和粘结,相容效率较高。
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