高分子溶液浸润现象的理论和计算机模拟研究

来源 :东华大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zqtoo
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
高分子溶液是人们在科学研究和生产实践中经常能碰到的高分子体系。由于在胶体稳定性、表面修饰等领域具有重要的应用,高分子溶液在界面附近的物理化学性质引起了人们的高度关注,其中高分子溶液的浸润现象是高分子溶液在界面附近的一类重要现象。如何调控高分子溶液的浸润行为是微流控、纳米印刷和喷墨打印等许多生产实践中亟需解决的核心技术问题之一。然而,目前关于高分子溶液的浸润现象的微观机理的认识却远远不足。为了更好地理解高分子溶液的浸润现象,本文采用材料计算模拟的方法系统研究了高分子溶液浸润现象,对其规律进行探究和总结。高分子溶液在固体表面的浸润行为不仅与固体表面的固有物理性质相关,更与高分子溶液中的聚合物和溶剂的特点相关。本论文借助建立在格点聚合物链模型基础上的格点自洽场理论,系统研究了均聚物溶液在固体表面的浸润行为。本文主要关注以下四个重要参数:聚合物链长N、表征聚合物和溶剂之间相互作用的Flory-Huggins参数χ、本体溶液中聚合物链段的体积分数φb和表面与聚合物之间的相互作用能εs,对浸润现象的影响。通过计算体系的高分子单体体积分布,吸附量和吸附层厚度等,定量确定了不同N和εs下的浸润转变点、预浸润线和吸附-耗尽转变点,进而构建了均聚物溶液的浸润相图,并定性总结了其在表面的吸附-耗尽转变与浸润、预浸润等相变现象的规律。本文的主要结果总结如下:首先,对于链长N固定的均聚物溶液体系,浸润转变点对应的χ值与εs呈正相关关系,即εs越大(对应于表面和高分子间的吸附力越强),浸润转变点的χ也越大。随着εs降低,浸润转变的类型逐渐从一级转变为二级;如果εs继续降低,聚合物在固体表面会发生吸附-耗尽转变,聚合物从被表面吸附变为从表面耗尽。其次,当高分子溶液偏离共存线的稀相分支时,随着高分子浓度的增加,体系会在一级浸润转变时出现预浸润现象。预浸润线从浸润转变点出发,向着本体相图的均相区延伸,预浸润线的范围随着εs增大而单调增加。最后,对于不同链长的均聚物溶液体系,随着链长N的增加,体系的浸润转变类型从一级相变到二级相变的过渡点对应的εs和聚合物吸附-耗尽转变点对应的εs值逐渐减小。并且相图中发生二级浸润转变的区域也会减小,但预浸润线的范围在逐渐增大。除了以上自洽场理论研究之外,本文还使用蒙特卡罗模拟构建了链长N=100的均聚物溶液的本体相图,并与自洽场理论的结果进行了对比。研究发现,两者预测的相图定性一致。首先,只有当χ足够大时,高分子溶液才会发生相分离。其次,两者预测的相图具有相似的不对称性,这些相似性表明自洽场理论定性正确。然而,两者还存在若干不同,其中最为显著的是自洽场理论所预测的相边界要低于蒙特卡罗模拟结果,这主要是由于自洽场理论忽略了涨落效应所导致的。尽管如此,自洽场理论还是可以用以定性描述高分子溶液的浸润现象。
其他文献
汽车工业发展迅速,为经济的崛起和人民生活水平的提高创造了有利条件,但同时也带来一系列噪音污染问题。汽车噪音轻则导致驾驶员心情烦躁,引起头疼,注意力难以集中,重则引发交通事故。为了降低汽车噪音污染,人们使用玻璃纤维、芳纶等化学纤维来生产吸声复合材料,这些复合材料力学性能优越,但也存在耗能大、回收降解困难、生产成本高的缺点。与芳纶、玻璃纤维等化学纤维相比,麻纤维力学性能略差,但吸声性能较好,并且还具有
柔性智能电子设备飞速发展的同时也引起了人们对可持续能源搜集方式和供应技术的不断地探索。柔性热电材料是一种可以将热能转换成电能的环境友好型功能材料,利用这种材料制备的柔性热电器件(TEG)具有质量轻、尺寸小并且可穿戴等优点,可以直接利用人体和环境之间的温差实现持续性供电,在可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。目前柔性热电材料的性能还不能完全满足应用要求,仍处于不断探索发展的阶段。柔性热电材料的制备多采
节约能源,实现绿色发展是当今科技与社会发展的必然要求。复合材料,特别是纤维增强树脂基复合材料作为一类轻质高强、可设计性强的新型材料,目前被广泛地应用于汽车、航空、船舶等重要制造领域,成为推动绿色发展的极大助力。薄壁件作为一种典型的吸能耐撞结构,常被用来制作吸能缓冲元件,在上述应用领域中被大量需求。传统的吸能缓冲元件通常以低碳钢、铝合金等材料制作,该类材料制作的结构在碰撞时可以通过产生稳定可控的弹塑
以聚醚醚酮(Poly ether ether Ketone,PEEK)为代表的聚芳醚酮(poly ether ketone ketone,PAEK)类热塑性高分子树脂,因其优异的综合性能,已被用作高性能纤维增强复合材料的树脂基体,所制备的高性能热塑性复合材料具有优异的抗冲击性能等优点,被广泛应用于航空航天等领域。众所周知,复合材料的性能受加工工艺的影响较大,对于高性能热塑性复合材料而言,其工艺难度
工业化和现代化进程持续推进,淡水资源急剧减少,海水淡化是缓解这一问题的最有效方法之一。传统海水淡化方式,膜工艺和热工艺,需要消耗大量的化石燃料,容易对环境造成巨大的危害。因此,太阳能驱动界面海水淡化成为解决水资源短缺最有前景的方式之一。其中,由于双层界面太阳能蒸发器优异的热集中能力,海水蒸发速率和效率得到显著的提高,是目前最有效的界面蒸发结构。本文利用半导体材料硫化铜(CuS)纳米粒子的低成本,低
随着人们生活水平的不断提高,旅游产品与服务模式也在不断升级。增强现实技术通过将计算机生成的虚拟信息融合到真实场景中,提供了更多的交互模式,让游客对真实世界有更强烈的沉浸感。本文针对旅游系统中增强现实技术的应用,以及如何提高增强现实系统的性能和用户服务体验,进行深入研究。本文主要研究内容如下:研究自然特征识别算法。针对传统ORB算法提取特征点数量不足,没有解决尺度不变性与旋转不变性的问题,本文提出了
作为一种刺激响应型智能变形材料,形状记忆聚合物具有低成本、易加工、形状记忆变形种类多等优点,将2D形状记忆聚合物材料装配成3D智能构件,在航天航空、软体机器人、生物医疗服务等领域具有巨大的应用价值。传统热致型形状记忆聚合物往往需要复杂的热场刺激源,且操作不便,严重限制其实际应用,而光驱动具有即时、非接触、可控性好、可局部刺激等多种特点。另外,形状记忆聚合物的变形往往是一种整体变形,无法实现精细、复
PET因其良好的力学性能和可纺性,广泛应用于生产和生活领域,但其易燃的特点成为其不可忽视的安全隐患。热致液晶聚芳酯(TLCP)不仅拥有优异的热学、力学性能和耐化学性,而且具有本征型阻燃抗熔滴的特点,将TLCP与PET共聚有望获得兼具本征型阻燃和热学、力学性能优异的新型液晶共聚酯。本文将PET与不同的聚芳酯液晶基元单体,如4-对羟基苯甲酸(HBA)、2-羟基-6-萘甲酸(HNA)、4,4’-二羟基联
燃素说是化学史上最重要的假说之一,曾主导燃烧等化学研究领域长达一百年之久。在大量的燃素说捍卫者之中,约瑟夫·普利斯特利的地位与众不同。一方面,他独创性地发现了氧气的存在,给出了氧气的实验制备方法,详细研究氧气的各种性质,并且其工作后来直接导致了拉瓦锡等人对氧化燃烧说的确立。但另一方面,普利斯特利在生前却是燃素说的拥护者和坚定捍卫者。直至1804年去世之前,尽管氧化燃烧说已几乎一统化学研究天下,普利
内毒素是存在于革兰氏阴性菌细胞壁上的一种脂多糖,与人体健康密切相关。菌体死亡后内毒素会被释放到环境中,当人体血液、肠胃、呼吸被其入侵,会引起各种病理性生理表现,最直接的是体温过高或过低,甚至导致白细胞变化、全身综合性炎症反应,肝、肾功能衰退等。为保证生物试剂用药的安全性,必须寻找有效去除内毒素的方法。在众多去除内毒素的方法中,阴离子交换膜因带有阳离子基团,具有静电吸附作用、高选择性、工艺简单等特点