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文檔簡介
1、玻璃化轉(zhuǎn)變作為高分子材料具有的一個重要性質(zhì),在高分子科學(xué)領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。高分子材料的許多物理性質(zhì)會在玻璃化轉(zhuǎn)變的過程中發(fā)生不連續(xù)變化,研究聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變對高分子材料的使用和改性具有重要的意義。目前已經(jīng)建立許多聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變理論,但是沒有形成一個完整的理論體系來解釋所有的聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。實驗上也無法對玻璃化轉(zhuǎn)變過程中聚合物微觀結(jié)構(gòu)變化信息進行測定。而計算機模擬可以在原子水平上記錄下聚合物的微觀結(jié)構(gòu)信息,其中分子動力學(xué)模擬可
2、以實現(xiàn)對聚合物的分子鏈結(jié)構(gòu)的可視化操作,在聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變的研究中發(fā)揮了獨特的作用。本文對聚乙烯(PE),聚甲醛(POM),聚苯乙烯(PS)等凝聚態(tài)體系進行了分子動力學(xué)模擬,研究了聚合物凝聚態(tài)體系的玻璃化轉(zhuǎn)變過程,主要工作和研究結(jié)論有:
1.在300K和1個標準大氣壓下使用Material Studio V7.0(MS)軟件構(gòu)建單鏈PE,多鏈PE,多鏈PS和單鏈POM體系的三維周期性邊界條件,在一定的溫度區(qū)間和確定的降溫間隔下
3、對不同的聚合物凝聚態(tài)體系進行了階段性的NVT(恒定的原子數(shù),體積和溫度)和NPT(恒定的原子數(shù),壓強和溫度)分子動力學(xué)模擬。前一個溫度模擬結(jié)束的最終構(gòu)象作為下一個溫度模擬開始時的初始構(gòu)象。單鏈PE體系的分子鏈包含100個重復(fù)單元;多鏈PE包含60條分子鏈,每個分子鏈的包含20個重復(fù)單元;多鏈PS包含15條分子鏈,每條分子鏈包含10個重復(fù)單元;單鏈POM體系的分子鏈包含100個重復(fù)單元。對不同聚合物體系的動力學(xué)模擬,截斷半徑均設(shè)置為9.5
4、(A),積分步長設(shè)置為1fs。每隔0.1ps記錄一次數(shù)據(jù)。
2.實驗上所觀測到的在我們的動力學(xué)模擬計算中得到重現(xiàn),高溫區(qū)比體積隨溫度升高而增加的速率比低溫區(qū)增加的速率快,可分別對高溫區(qū)和低溫區(qū)比體積-溫度關(guān)系進行線性擬合,兩擬合直線的交點就是比體積溫度梯度的突變點,所對應(yīng)的溫度可以用來確定聚合物的玻璃化溫度。由此定義的比體積玻璃化溫度分別是239.7K(PE),210K(POM),371K(間同聚苯乙烯:s-PS),367K(
5、全同聚苯乙烯:i-PS)和359K(無規(guī)聚苯乙烯:a-PS),這與實驗測定的結(jié)果是合理一致的。
3.聚合物凝聚態(tài)體系動力學(xué)平衡態(tài)時,各分子鏈構(gòu)象符合旋轉(zhuǎn)異構(gòu)態(tài)模型,骨架鍵只有反式、左旁式和右旁式三種構(gòu)象態(tài);在確定的溫度的平衡態(tài),各構(gòu)象態(tài)發(fā)生幾率是恒定的,平均構(gòu)象幾率隨溫度的變化關(guān)系與比體積-溫度關(guān)系相似,也可以用來確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。由此擬合得到的玻璃化溫度分別是238.6K(PE),219K(POM),367K(i-PS),
6、362K(s-PS)和366K(a-PS)。
4.在確定的溫度下,聚合物凝聚態(tài)體系的分子尺寸是波動的,但具有確定的平均值,波動的幅度隨溫度的增高而變大;平衡態(tài)的平均分子尺寸具有正的溫度系數(shù),分子尺寸的溫度依賴關(guān)系與比體積類似,也能用來確定玻璃化溫度;分別擬合得到的分子尺寸玻璃化溫度是246.3K(PE)和220K(POM)。
5.平衡態(tài)時,平均構(gòu)象態(tài)幾率和平均分子尺寸是一定的,在玻璃化溫度以下,分子鏈段的運動和構(gòu)象態(tài)
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