纳米颗粒/聚合物复合体系中扩散行为的动力学密度泛函理论研究
聚合物纳米复合材料在现代日常生活以及国防军工领域有着广泛的应用。在纳米复合材料的加工和使用过程中，纳米颗粒和聚合物链的动力学行为对材料的结构和性能有着决定性的影响。传统的实验方法难以观测到微观尺度下的动力学行为，不能解释各种复杂现象背后的微观机理，而统计力学理论可作为有效、可靠的机理研究工具。本文在密度泛函理论的整体构架基础上，结合动力学方程、模耦合理论、积分方程理论以及分子动力学模拟，建立了一套关于聚合物纳米复合体系的动力学密度泛函理论模型，用于描述体系内不同的微观运动行为。主要研究内容包括: (1)基于三维密度泛函，建立了聚合物链键角能的能量表达，考虑了聚合物运动时的溶剂力作用，研究了聚合物链在纳尺度空间中扩散行为，定量评估了微纳空间对链受限运动的影响，确定了分子链在不同空间内的运动模式，以及不同链段在不同方向上的运动模式。研究表明:聚合物链在受限前后，均方位移的指数率由0.63变为0.47;具体到各链段而言，端头运动的指数率降为0.33，由Zimm模式转变为爬行模式，侧段降为0.44，为两种运动模式的过渡区域，而中段依然为Zimm形式，指数率不变。 (2)对聚合物纳米复合体系，在构建体系的自由能函数时，考虑了颗粒与聚合物链的非对称性;在研究体系内的相对运动时，考虑了纳米颗粒和聚合物链的协同运动，并结合运动过程中溶剂力和非溶剂力的影响，构建了随时间演变的动力学方程，完善了动力学密度泛函关于聚合物纳米复合体系的理论表达，研究了纳米颗粒粒径、聚合物浓度、颗粒-聚合物相互作用和颗粒体积分数等因素对颗粒扩散行为的影响。研究结果直观展现了纳米颗粒的跳跃运动轨迹、非Gaussian扩散转变以及均方位移的双平台现象。并通过体系的自由能变化，明确了跳跃运动的发生机理。从分子层面阐明了颗粒在聚合物中的扩散机理。 (3)将剪切场引入动力学密度泛函方程，研究了剪切强度对聚合物纳米复合体系结构的影响。首先考察了剪切场对不同组成、不同组分所形成的微观结构的改变程度，然后考察了给定剪切作用下颗粒粒径、聚合物浓度、颗粒-聚合物相互作用力等因素对颗粒与聚合物相对运动、扩散速率、颗粒与聚合物的微相分离以及体系内有序结构的影响。研究表明:当聚合物浓度增加至0.8以上，聚合物在颗粒周围的相对流动模式由均匀流型变为Stokes流型;在合适的剪切作用条件下，颗粒粒径较小时，颗粒与聚合物发生微相分离，体系的结构发生很大程度的变化;粒径适中时，颗粒在聚合物中形成有序结构，体系的结构变化程度很小;粒径过大时，体系将根据颗粒-聚合物相互作用力的大小发生微相分离或形成有序结构。阐明了纳米复合材料在使用过程中的抗破坏机理。 (4)将动力学密度泛函理论与模耦合理论相结合，研究了聚合物的玻璃化转变行为，评估了自由链和半自由链模型聚合物在不同密度时的玻璃化转变温度。研究发现:玻璃化转变过程是以热力学拟二级相变为主导的过程，但动力学手段能更准确地判断体系是否处于玻璃态;在玻璃化转变点附近，体系的相关长度表现出指数率性质，指数为0.56且不随体系的变化而变化;直链聚合物的玻璃化转变主要受体系的密度控制，链刚性对体系玻璃化转变的直接影响相对较小，主要通过影响聚合物密度间接改变体系的玻璃化转变。为研究聚合物体系的玻璃化转变提供了一条可行的途径。
复合材料;纳米颗粒;聚合物;扩散行为;密度泛函理论
北京化工大学
博士
材料科学与工程
田明
2019
中文
TB332
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）