溶液中梳形高分子的静态和动态性质的分子动力学模拟研究
Molecular Dynamics Simulation on Static and Dynamic Properties of Comb Polymer in Solution
高分子由于其独特的物理和化学性质引起了众多学者的广泛研究兴趣.研究高分子在溶液中的构象和动力学性质对高分子理论的发展以及高分子材料的生产和应用都具有重要的意义.本论文主要通过分子动力学方法研究了溶液中几种不同链拓扑结构高分子的静态与动态性质.线形、梳形和星形是三种比较典型高分子链拓扑结构.线形高分子相当于主链较长且侧链极短的梳形高分子,星形高分子则相当于主链极短及侧链较长的梳形高分子,因此,我们以梳形高分子为纽带,系统研究线形、梳形和星形高分子的链性质,进而揭示高分子的静态和动态性质与链拓扑结构的依赖关系.梳形高分子的结构特殊是在于其含有接枝的侧链,因此,为了进一步讨论支化高分子静态和动态性质与链拓扑结构之间的依赖关系,我们还讨论了支化程度更高、侧链结构更复杂的树枝形高分子在溶液中的静态与动态性质.本文基于梳形高分子特殊链结构,主要研究了以下几个部分.1.线形、梳形和星形高分子的静态和动态性质的模拟研究.基于粗粒化分子动力学模拟方法,系统研究了线形、梳形和星形高分子的静态和动态性质,以揭示稀溶液中高分子链行为与链拓扑结构依赖关系的一般性规律.研究结果表明对于线形、梳形和星形高分子,星形高分子具有最小的分子尺寸,线形高分子的尺寸最大.随着拓扑结构发生线形-梳形-星形的转变,回转半径的标度关系由仅依赖分子聚合度转变为同时依赖分子臂数或侧链数.另外,我们着重分析了星形高分子和梳形高分子的静态和动态性质的特征规律,对于星形高分子而言,臂数的增加使其尺寸迅速减小,形状则由长椭球形转变为类球形,且扩散加速,并且得到了回转半径和扩散系数与分子聚合度及臂数的标度规律.进一步,我们获得了多种支化点的梳形高分子的静态与动态性质与分子聚合度及侧链数目的依赖关系.这些结果将帮助在分子水平上认识高分子链行为的物理本质.2.梳形高分子的静态和动态性质的模拟研究.梳形高分子是接枝密度较高的接枝共聚物,由于高密度接枝侧链的存在,侧链之间相互排斥,导致梳型高分子的主链被迫伸直,从而使梳形高分子呈现棒状构象.梳形高分子具有异于一般线性高分子的结构,梳形高分子可以通过调节侧链的长度、接枝密度来调节分子的结构与尺寸,具有广泛的应用前景.本文中,着重研究了接枝密度和接枝侧链条数对梳形高分子性质的影响,研究了在不同接枝密度下,不同支化点数的高分子的侧链数对梳形高分子静态与动态性质的影响.研究表明,对于不同接枝密度的梳形高分子,聚合度对分子尺寸的影响几乎相近,但是随着接枝密度的增加,侧链对分子尺寸的影响在不断加强.不同接枝密度下,不同侧链数的梳形高分子的分子尺寸都是随着聚合度的增大而增大,且链聚合度和支化点数目相同的梳形高分子,侧链数越多,分子尺寸越小.但在不同的接枝密度下,相同支化点的梳形高分子,其分子尺寸随着支化点上侧链数的增大而减少,且衰减的程度依赖接枝密度.相同接枝密度条件下,支化点上侧链数不同的梳形高分子的扩散行为也是相似的.对于不同的接枝密度,不同支化点的梳形高分子,它们的扩散行为非常相似,扩散系数都是随着聚合度的增大而减小,聚合度N对具有不同侧链数的梳形高分子扩散的影响都是相近的,但侧链数的不同会导致梳形高分子的扩散有所差异.3.树枝形高分子的结构与动力学分子动力学模拟.树枝形高分子是一种新型的高分子材料,具有高度的分形结构与几何对称性,是通过多官能团单体严格控制、逐步聚合而形成的.由于其特殊的流变行为,树枝形高分子在生物医药、基因治疗、光电材料等领域具有广泛的应用前景.研究树枝形高分子的静态性质和动力学行为的相关规律,将有助于实现树枝形高分子的结构调控,为其在生产生活中的广泛应用提供指导依据.本文采用分子动力学模拟方法研究了树枝形高分子单链在稀溶液中的静态和动态性质,并与相应线形高分子进行了对比.模拟结果表明:稀溶液中的树枝形高分子和线形高分子均呈椭球态,而树枝形高分子具有较厚的椭球态.当聚合度相同时,树枝形高分子的尺寸要小于线形高分子.对于树枝形高分子,相似拓扑结构时其标度规律与线形分子非常接近.随着高分子链的聚合度的不断增加,高分子的扩散系数不断减小,其随机运动能力也不断减弱.但是,对于树枝形高分子而言,其随机运动能力要大于相应的线形高分子.
- 作者：
- 潘凯
- 学位授予单位：
- 伊犁师范学院
- 专业名称：
- 物理学、光学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 黄以能；孙昭艳
- 中图分类号：
- O631.1
- 关键词：
- 梳形；分子动力学；分子尺寸；扩散系数
- Comb; Molecular Dynamics; Radius of Gyration; Diffusion Coefficient;