聚合物形态学.doc

摘要 近年来，利用计算机模拟技术对聚合物尤其是其共混物进行研究是一大热点。本论文以采用耗散粒子动力学（DPD）模拟方法研究PLA/PA11共混物相行为为例。阐述DPD模拟方法的具体细节及其优点。 关键词：PLA，PA11，DPD，共混物，相行为 1 聚合物共混技术 1.1 聚合物共混技术简介 聚合物共混[1]是材料科学的一个颇具实用性的研究领域，与材料科学研究的整体发展密切相关。关于聚合物共混的研究，已有百年的历史。时至今日，聚合物共混的基础研究与应用基础研究，仍然是高分子材料领域的研究热点，在新的共混体系和激励研究方面都在不断取得进展；而聚合物共混改性的方法仍然是高分子材料加工中的一项重要工业技术，其应用遍及各种塑料及橡胶制品之中。高分子材料工业中许多成功开发的产品，都是紧密依托于聚合物共混技术。在塑料领域，诸多塑料品种都是以共混改性料的形式应用的；在橡胶领域，橡胶-橡胶共混体系、橡胶-塑料共混体系和共混形塑性弹性体也得到了广泛的应用[2]。共混的理论研究和应用基础研究都是很活跃的领域，每年都有大量的论文发表。在理论研究方面，界面的表征与特性、共混体系分散的过程以及聚合物共混对于性能的作用机理等，都是人们研究的热点。近年来聚合物基纳米复合材料的开发，为聚合物共混研究注入了新的活力；而共混理论和应用技术，又推动了纳米复合材料的研究和工业化应用。 1.2 聚合物共混技术的发展概况 世界上最早的聚合物共混物出现于1912年[3]。 第一个工业化生产的聚合物共混物，是1942年投产的PVC/NBR共混物。1948年，高抗冲聚苯乙烯（HIPS）研制成功。 1960年，聚苯醚（PPO）与聚苯乙烯（PS）的共混体系研制成功。难于加工的PPO中加入PS，可以顺利地成型加工，且相容性良好，成为聚合物共混研究的又一成功范例，并于1965年实现工业化应用。 1964年，四氧化锇染色法在电子显微镜观测共混物形态中的应用，促进了共混物微观形态的研究，是聚合物共混研究中的一个突破性进展。 1975年，美国杜邦公司开发出超韧尼龙[4]，将尼龙与聚烯烃弹性体或橡胶共混，大幅度提高了冲击强度，这一成果具体重要意义。随后，对于聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、聚酯（PET、PBT）等聚合物，也采用共混的方法，使冲击强度大幅度增加。 近年来，新材料不断出现，特别是以共混方法制备的纳米粒子/聚合物复合材料的深入研究，使共混研究不断出现新的热点。 1.3 聚合物共混的优势 聚合物共混的目的是获得预期性能的共混物。聚合物共混具有以下三种基本作用： 其一，通过聚合物共混，可以显著提高聚合物的性能。针对不同的用途，需要提高的性能也是不同的。 其二，通过聚合物共混，在性能基本不变的前提下，降低材料的成本，相当于提高了材料的性价比。 其三，通过聚合物共混，获取新的性能。 在上述三种作用中，聚合物共混都展示出巨大的应用优势。共混的主要优势在于简便可行，可适应小的生成规模，也可适应大规模生产。 1.4 聚合物共混的研究现状 对于多组分共混物[5]来说，组分之间的相容性以及相行为的研究十分重要，且一直是高分子科学领域的一个热点，这不仅因为其重要的理论意义，更在于其显著的实际应用价值。然而，以往许多研究都是基于静态条件的，众所周知，在加工过程中，高聚物将受到各种力场，例如静压、拉伸以及剪切的作用，在许多情况下这些力场将对多组分体系的最终形态起决定作用，因此对于这些因素的研究正在引起多方面的关注。其中，剪切场作用下的多组分高聚物体系的相行为研究正成为这一领域的研究热点，并且对整个多组分高聚物体系的相行为研究有重要意义。 2 DPD模拟技术 2.1 DPD模拟方法的发展 耗散粒子动力学（简称DPD）是一种介观模拟方法。它是在分子动力学和气体格子发基础上发展起来的一门新兴介观尺度数值模拟技术。最早由Hoogerbrugge[14]等人于1992年提出，其运动中力的部分类似于布朗动力学，包含耗散力和随机力，Hoogerbrugge等人认为分子动力学在粒子运动上过于细致和繁琐，因此DPD方法中的粒子不再对应真实的粒子，而是对应流体的微小区域或高分子的几个链段。在此基础上Esp?nol[6]等人进一步得出随机力和耗散力权函数必须满足耗散涨落定理，奠定了耗散粒子动力学方法的理论基础。从而形成了目前的DPD方法。 1997年，Groot和Warren[16]通过从高分子系统的Flory-Huggins理论得到的自由能与从DPD流体得到的自由能进行比较发现，排斥参数和Flory-Huggins参数之间存在一种一一对应的关系，为DPD模型与实际系统之间提供了一种映射关系，使DPD方法成为联系原子模拟和宏观模拟的桥梁。 由于耗散力与粒子间的相对速度有关，对运动方程进行数值积分时给选取合适的积分格式带来