高分子黏弹性的经典唯象模型

高分子流体的黏弹性质是高分子科学和工程中一个非常重要的研究领域.与简单黏性液体和弹性固体不同,外场作用下缠结高分子流体呈现出复杂的黏弹性行为,例如应力不仅仅与应变幅度或应变速率有关,还与整个形变历史相关.近半个世纪以来,人们建立了很多描述这些复杂黏弹性质的模型和理论,其中一类是基于连续性介质力学原理的唯象模型,例如:Maxwell模型、Voigt-Kelvin模型和在时空上所有参数为常量的连续性模型;另一类是瞬态网络模型,该模型把缠结点考虑成瞬态交联点,高分子链看成珠簧链;还有一类是微观分子理论,其中最著名的是"管子模型".本文首先介绍缠结高分子流体的线性黏弹性响应和Boltzmann叠加原理的基本概念,然后,重点综述描述高分子黏弹性质仍非常有实际应用价值的3个经典唯象模型,包括Maxwell模型、Voigt-Kelvin模型和瞬态网络模型,特别是这些理论的详细推导和存在的主要问题.关于高分子黏弹性的微观理论将在其它综述中单独介绍.     

近平衡态与快速启动剪切下缠结高分子流体流变行为研究

利用布朗动力学模拟和基于管子模型的GLaMM理论计算,探讨了缠结高分子流体在近平衡态和快速启动形变下的流变行为.结果表明,在线性区,除了一些较小的偏离外(例如,在Rouse松弛时间尺度上,GLaMM理论计算的应力松弛快于其实验测量值),GLaMM理论与实验基本吻合.然而,在快速启动形变下,即使把时间尺度换为τd,理论与模拟仍有显著差异,这些结果完全证实了我们先前作出的被拉伸的缠结网络抑制解缠结发生、应力过冲的分子机理是被拉伸的高分子链发生回缩等重要结论.此外,模拟还发现应力过冲点所对应的应变值随剪切速率的增加而增加,这一结果与现有的大量实验结果吻合,但是与管子模型的期望完全不符.这些发现质疑了管子模型分子链在光滑无势垒管道中自由收缩的分子图像.     

聚乙烯醇水溶液反复冷冻过程中的溶剂化效应

采用示差扫描量热技术(DSC)对聚乙烯醇(PVA)水溶液反复冰冻过程中的溶剂化效应进行研究.引入水化数的概念来表征溶剂化效应的大小.结果表明不同浓度区间的PVA水溶液其在反复冰冻过程中溶剂化效应显著不同,主要归因于高分子链分子内和分子间缠结程度对溶剂分子"参与"溶剂化的程度和方式的不同.作者把极稀高分子溶液的研究结果拓展到高分子稀溶液或亚浓溶液区间,阐述了高分子溶液中高分子链的物理图像.冷冻次数的增加导致链间缠结增加,部分溶剂则被包裹在由链间缠结点所形成的网圈内成为分子链的一部分.溶液溶剂化程度的变化受到包裹溶剂与高分子链脱溶剂化的综合影响.     

<Nonlinear Polymer Rheology:Macroscopic Phenomenology and Molecular Foundation>书评

对Nonlinear Polymer Rheology:Macroscopic Phenomenology and Molecular Foundation(高分子非线性流变学:宏观唯象学及其分子基础)流变学专著进行了全面深入的分析与评价.著者通过深入浅出的语言、生动形象的图解、严密深邃的辩证逻辑和极为简洁的数学表述,对高分子非线性流变学中的基本概念和模型(例如:屈服、有限内聚力和解缠结等),以及高分子非线性流变学中的典型现象(例如:应力过冲、非静态松弛、剪切带和应变硬化等),进行了系统地分析与探索.在我国推介此书,对年轻学者快速了解该领域的前沿工作有重要的指导作用,即使对从事本领域研究的学者,在启发创新思维和提高品判能力方面仍有相当的帮助.     

高分子动力学的单链模型

高分子单链模型是高分子稀溶液理论研究的基本模型.对其进行深入地分析,不仅有助于解决高分子稀溶液体系中溶液黏度和分子链扩散等基本问题,而且能够增进人们对高分子链结构与溶液性质间关联性的理解.虽然基于经典连续性介质力学的流体动力学理论可以定性,甚至半定量地获得稀溶液的一些重要性质,但是,随着科学技术的发展,人们从分子水平上建立了许多描述高分子稀溶液性质的模型和理论,期望能够定量地描述高分子稀溶液的性质.本文以高分子稀溶液中3个典型的单链模型为例(包括:不含流体力学相互作用的Rouse模型、含二体流体力学相互作用的Zimm模型和含多体流体力学相互作用的部分穿透球模型),综述高分子稀溶液的重要性质,并详细地给出其动力学方程的推导过程及其重要的研究进展.特别是,对于Rouse模型,本文还将其预言结果拓展到了短链高分子流体体系;此外,还介绍了这一领域的关键科学问题、发展前景和研究方向.     

环形高分子单链塌缩的熔球中间态及其热力学解释

采用动态蒙特卡洛分子模拟研究了环形高分子单链在不良溶剂中发生塌缩转变时可逆地出现具有核-壳结构特征的熔球中间态,发现该结构特征与相同链长的线形单链基本相同,表明其只与链的长短有关,而与链端基的特殊效应无关.本工作将这一现象与单链单晶在其平衡熔点附近出现的类似现象相互关联,采用表面预溶模型来解释单链塌缩出现熔球中间态的热力学机理.分子量越低,熔球越小,表面预溶现象就越显著,塌缩转变随热力学条件变化就越缓慢.实际的高分子体系由于链内拓扑缠结,在表面未必能充分释放片段链,达不到理论预期的平衡态.表面预溶使得相分离临界点或晶体熔点附近在界面厚度方向上存在链单元能量状态不连续分布,这在微观分子水平上与临界界面连续浓度梯度的传统理论处理不一致,为我们深入理解高分子流体界面的微观结构带来帮助.     

Monte Carlo模拟研究高分子单链在基体中扩散的拓扑效应

高分子流体的性质同高分子的链结构及其动力学行为密切相关. 在高分子共混物中,共混组分的性质不仅依赖于自身的拓扑结构,还受到其它组分分子拓扑的影响. 本文中采用基于格子模型的Monte Carlo模拟方法研究了在高分子基体中扩散的4种不同拓扑组合（环形或线形高分子链）体系中目标单链的静态和动态性质. 结果发现,环形目标单链的性质受基体分子拓扑结构的影响要大于线形目标单链;其中环/线这一拓扑组合中目标单链的扩散机理相比其本体已经发生了较大改变,链末端在其中起了重要作用. 此外,我们对引起这一现象出现的可能原因做了分析.     

高分子凝聚态的若干基本物理问题研究

本项目在高分子凝聚态的研究中取得了许多重要成果,并提出了若干新概念。主要创新点有高分子单链凝聚态（单链玻璃态和单链单晶）、高分子链的凝聚缠结、分子链大尺度高度取向而小尺度无规取向的非晶态、动态接触浓度C8、固化诱发条带织构等。     

高分子单链的研究进展

随着纳米科技在高分子领域的不断升温,高分子单链凝聚态的研究引起了人们的广泛重视。高分子单链以纳米尺度的微粒孤立存在,不存在分子链之间的几何缠结。本文综述了近年来国内外高分子单链的研究进展。首先介绍了高分子单链的主要制备方法如喷雾法、冷冻干燥法、微乳液聚合法、反向沉淀法以及表面扩展膜法,接着详细介绍了高分子单链的表征技术及高分子链构象的计算机模拟技术,最后介绍了高分子单链及单分子胶束在制备金属纳米粒子领域的应用,并展望了高分子单链的研究领域和方向。     

高分子结构流变学的进展——Ⅱ.柔性高分子缠结体系的动力学

高分子熔体和浓溶液中的各种动力学行为是由长链分子的特异相互作用——缠结所决定的。这方面的进展是近年来高分子物理学中引人注目的方面。本文以缠结现象及其最新物理概念的阐述出发介绍缠结体系动力学理论从网络模型向管式蠕动模型的进展和当前发展现状。强调了在链段层次的相对不可透入性的管状概念是对新理论建立起关键作用的概念,有待进行更透彻的研究。     

溶剂性能对部分解缠结聚氯乙烯有序结构形成的影响

一般的高分子非晶态是线团相互穿透的多链凝聚态,是分子固体中非常独特的一种分子凝聚态[1～4].而高分子链的缠结是高聚物凝聚态的重要特征之一.缠结是指高分子链之间形成物理交联点,构成网络结构,使分子链的运动受到周围分子的羁绊和限制[5],因此缠结对链的构象调整以及链单元     

基于“多链超分子柱”的侧链液晶高分子柱状相

一些具有伸展构象的侧链液晶高分子,如甲壳型液晶高分子或树枝化高分子,可以经由分子链的平行排列而呈现柱状液晶相.一般认为,该类柱状相的基本结构单元是单根高分子链所形成的超分子柱.而以几根链组装形成的超分子柱,即"多链超分子柱",也可作为侧链液晶高分子柱状相的基本结构单元,但多年以来这一现象并未引起人们的重视.近期,我们以hemiphasmid型侧链液晶高分子为研究对象,阐明了"多链超分子柱"是侧链液晶高分子柱状相微相分离的一种重要形式.本文从hemiphasmid型侧链液晶高分子的柱状相结构分析、化学结构对"多链超分子柱"的影响、"多链超分子柱"模型的理论分析与预测、"多链超分子柱"的"柱内缠结"以及hemiphasmid型侧链液晶聚降冰片烯的功能性等若干方面,对基于"多链超分子柱"的侧链液晶高分子柱状相进行了介绍.我们认为,深入研究"多链超分子柱"性质,将拓展侧链液晶高分子的应用领域,加深对高分子物理基本问题的认识.     

高分子结构流变学的进展 Ⅰ.非缠结柔性链高分子溶液

高分子结构流变学研究流变性质与长链高分子结构的关系。本文总结了非缠结的柔性链高分子稀溶液与亚浓溶液的结构流变学理论的基本方法与线索、新近的结果和前沿问题。着重介绍微结构动力学方法和标度理论概念。指出珠簧链模型抓住了无规线团长链分子的自相似本质,构成本领域理论发展的主流和进一步发展的基础。在稀溶液范围它能从分子结构解释和预测基本流变性能,具有实用意义。     

分子动力学模拟研究线型聚乙烯链在强电场中的取向行为

本文将电荷平衡法(Charge Equilibration, QEq)方法应用于线型聚乙烯链(PE)的电荷分布计算,发现了非极性高分子PE链上电荷分布具有不均匀性,且端基带有较多的负电荷,随后通过MD模拟发现PE单链可在强电场中发生取向.通过QEq方法对达到临界缠结分子量的PE多链体系进行电荷分配,并模拟其在真空和本体条件下的取向行为,发现PE多链体系在强电场中也可发生取向.最后通过分析得出PE在强电场中发生取向的可能原因是分子链上电荷分布的不均匀性.     

链解缠结后聚合物的结晶行为

就近年来关于高分子链解缠结及其对聚合物结晶行为的影响研究作了较为详细的介绍,阐明链解缠结后由于高分子的运动不受或很少受到周围分子的限制,聚合物的结晶能力是增强的,并对可能影响链解缠结程度以及结晶的多种因素(制样溶液浓度、溶剂性能、溶剂尺寸等)进行了讨论.     

高分子研究中的一个知识问题——柔性链“从线团到小球”的构象变化

一条大分子链由许多小分子通过共价键连接而成.正是这一"连接"导致了大分子一些独特的物理性质及相关问题.本文希望阐明的就是这样一个小分子物理中没有的知识问题:小分子在溶剂中仅有溶或不溶2个状态;而自60年代起,理论学家们就预言一条柔性大分子链在溶解的状态下,其构象随着溶剂性质变差可以从无规线团蜷缩成一个单链小球.为了证明这一构象变化,实验学家们从70年代末起进行了大量的研究,直至90年代初期仍未观察到稳定的单链蜷缩小球.实验上这一长期悬而未解的问题困惑着众多研究者.甚至有理论学家在1993年报道,当今的样品制备和实验手段无法观察到一个热力学稳定的单链蜷缩小球.中国钱人元先生和一些其他研究者自80年代末期也开始关注与单链有关的问题.我们实验室从1993年开始另辟蹊径,通过制备和采用窄分布的热敏性水溶性高分子超长链,终于在1995年利用激光光散射首次观察到理论上预测的"线团到小球"的构象变化.随后,又揭示了变化过程中存在着一个全新的"融化球"构象以及在单链蜷缩小球中并无理论上预计的额外链互穿和打结.从得到的稳定单链蜷缩小球出发,我们又首次在实验上研究了"小球到线团"的过程,意外地观察到其在准理想状态附近滞后于"线团到小球"的构象变化,并证明该滞后可归于链蜷缩过程中形成的额外链内氢键.最后,借用红外纳秒脉冲激光加热的方法研究了"线团到小球"的蜷缩动力学,并发现其包含了在单个高分子链上"成核"和"粗化"先后2个过程.其中,"成核"过程与链长无关.经过近20年的努力,我们终于基本解决了这一近代高分子物理研究中与知识有关的重要问题,揭示了与其相关的一些大分子特有的物理性质.     

大分子链的溶致凝聚过程

研究大分子链的凝聚从溶液考虑比较合适。溶液从稀溶液向亚浓、浓溶液的转变过程,本质上就是分子链从孤立单链状态向多链穿透、关联、缠结、凝聚的过程,称其为溶致凝聚过程。分子链溶致凝聚的类型十分丰富,包括凝聚成无定形态、结晶态和溶胶-凝胶转变等,讨论了这些过程中分子链溶致凝聚的特点。简要介绍了分子链凝聚过程涉及的基本物理问题:多体问题、复杂关联效应、平均场近似、临界指数,以及研究溶致凝聚的重要方法——标度律方法。     

巨型分子的黏弹性研究进展

巨型分子是一类新型高分子,其构建基元为结构更具刚性的分子纳米粒子,如多面体齐聚倍半硅氧烷(POSS)等.将多个分子纳米粒子三维连接而形成的一类巨型分子能够保持三维形状,这不同于传统的一维链状高分子.我们采用流变学手段研究了一系列处于本体条件、且具有不同直径的巨型分子,发现在玻璃化转变温度之上,其动力学由其直径决定.这与传统高分子中缠结主导的动力学截然不同:当巨型分子的直径跨过临界直径时,其松弛时间增加至少108倍;在临界直径以上的巨型分子不能扩散和松弛,表现出储能模量的平台,而且模量随温度线性增加,对应于分子纳米粒子的受限运动.跳出传统高分子的框架,巨型分子展现出不同于"蛇形运动"、"缠结"和"管子模型"的新规律,成为连接高分子体系和胶体体系的桥梁.随机一级相变理论推测,玻璃化转变时协同运动区域的直径大约为微观运动单元直径的6倍,这个分界与实验中巨型分子的临界直径一致,因此我们将这种类似于玻璃化的状态称为协同玻璃态.以这些巨型分子为代表的软团簇或可类比为玻璃化中的协同运动区域,将为研究玻璃化转变提供新的实验支持.     

原始链模型——一种新的聚合物粘弹性的分子学说

聚合物粘弹性的分子理论,主要是以Rou-se的珠簧模型为基础发展起来的。Rouse模型未曾考虑到分子链之间存在着缠结效应,因此只适用于稀溶液,而无法推广到高分子浓溶液和熔体等稠厚体系。即使象零切粘度与分子     

高斯链网络模型与橡胶交联网络的差异

“橡胶弹性”是《高分子物理》中联系长链分子构象统计和高分子材料力学性能的重要章节之一。现行《高分子物理》教科书中有关内容多以Rehner-Flory“四链模型”为基础,从Gaussian单链熵、单链熵加和恒体积仿射形变角度推导Gaussian链网络构象熵和收缩力,而很少提及Gaussian链网络模型化过程所涉及的诸多近似,更不提及有关学术争议。基于现行《高分子物理》教程,不少学生认为硫化胶具有类似Gaussian链网络的交联结构,不少技术人员基于所谓理想网络结构来设计所谓大应变可逆变形柔性电子等前瞻性器件,在理论和实践上走了不少弯路,得出不少误导性结论。本文回顾Gaussian链网络模型化所涉及的基本理论、近似和争议,以便让读者认识到Gaussian链网络模型仅是具有一系列约束条件的“模型”,而与橡胶交联结构相差甚远。