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《吉林大学》 2018年
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聚烯烃/C_(60)复合物中的界面性质以及C_(60)扩散机理的计算机模拟研究

任凯欣  
【摘要】:在聚合物熔体中添加纳米粒子(Nanoparticle,NP)能极大地改善聚合物的诸多性能,如提高材料的力学、光学、电学、以及材料的加工性能。纳米粒子通常具有比较大的比表面积,复合物材料性质的变化与界面层的形成直接相关。在复合物界面区域的研究中,界面层的厚度也是人们普遍关注的一个重点,界面层的厚度往往依赖于NP和聚合物熔体链具体的各种性质特征,如NP的尺寸、形状和硬度,以及聚合物链的柔性、分子量(MW)。针对所要研究的不同性质,界面层厚度的大小也有所不同。此外,已经有大量文献报道了关于纳米粒子在聚合物熔体或溶液中的扩散理论。近期,有一部分理论工作从自由能的角度阐述了稠密介质体系(如聚合物熔体)中纳米粒子在长时间区域的跳跃扩散机理。这些理论共同指出跳跃扩散机制只与尺寸为2R/d_T~.15-.20(R,d_T分别为纳米粒子半径及缠结聚合物体系的管径)的粒子有关,而较小的粒子被认为可以在缠结网格之间发生滑移而不发生跳跃扩散。而最近的模拟工作发现在聚酰亚胺(Polyimide,PI)熔体中,小尺寸的C_(60)纳米粒子同样也采用跳跃扩散机制,这种现象显然超出了上述理论的预测。C_(60)在PI熔体中的跳跃扩散运动可归因于C_(60)与高分子链间的吸引相互作用。实际上,“聚合物-纳米粒子”之间的相互作用可以在很大程度上影响复合物材料的性质。然而,由于聚合物种类繁多,为了更好地理解纳米粒子对材料性能的影响机制,需要我们深入地理解和研究纳米粒子对不同聚合物链的结构和动力学性质的影响,以及纳米粒子在不同熔体中的扩散机制,最终可以使我们在分子层面阐释其中所蕴含的机理,以便于更好地设计相关复合物材料。在本文中,我们采用全原子分子动力学模拟方法,分别研究了C_(60)在线性聚苯乙烯(Polystyrene,PS)中的扩散行为,并和线性聚丙烯(Polypropylene,PP)体系进行对比。同时,还研究了复合物体系中C_(60)表面聚合物链段的界面结构及动力学性质。在PS体系中,侧基苯环与C_(60)间存在着p-p吸引相互作用,苯环倾向平行于C_(60)表面排列,而在PP体系中,不存在p-p相互作用。在PS体系中,我们发现C_(60)采用跳跃扩散机制,而在PP体系中没有发现类似跳跃扩散的现象。并且在PS体系中,C_(60)与PS四聚体之间存在着动力学耦合现象,我们把这种现象归结于C_(60)与平行于C_(60)表面排列的苯环所形成的螯合结构。同时C_(60)对周围的苯乙烯单体的转动动力学以及平动动力学具有减慢的作用,并且C_(60)对苯环的取向、转动动力学,及平动扩散的影响范围是一样的。然而,在PP体系中,C_(60)对周围单体的动力学几乎没有影响。本文的研究有助于理解局部相互作用对纳米粒子扩散动力学以及聚合物/纳米粒子复合材料中界面性质的影响。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB33

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