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。     

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.     

受限高分子薄膜界面动力学与缠结的关系

通过Monte Carlo模拟结合原始路径分析(PPA)的方法,阐述了缠结高分子薄膜的界面动力学与缠结程度的关系.研究发现,以吸附势能的临界值εwc≈-0.6 kBT附近为界,当墙壁-高分子作用势能从弱吸引到强排斥变化时,界面层中的链移动快于中心层,只有当墙壁的吸引作用增强到一定程度时,界面层中的链移动才会慢于中心层.界面动力学受到促进或阻碍可能与界面层和中心层的缠结程度直接相关:界面层的缠结程度保持在本体水平上基本不变;中心层的缠结程度在强吸引表面上低于界面层,而在弱吸引和排斥表面上高于界面层.此外,中心层和界面层中高分子链受限程度的变化对薄膜界面动力学行为的转变产生一定影响.对于薄膜中链密度分布情况随墙壁-高分子作用势能变化的分析为相关的物理化学机制提供了理论依据.     

非缠结对称缔合链在蠕变过程中的动力学行为研究

首先介绍具有摩擦系数分布的Rouse链的动力学分析方法,并检验了其应用于预测未缠结缔合高分子动力学行为的可行性.之后利用上述方法研究不同缔合点数量的高分子链分别在固定应变速率的启动剪切(start-up)和固定应力的蠕变(creep)测试过程中,链段的取向函数随时间的变化行为.阐明了缔合体系在蠕变条件下,高分子链从链段...     

高分子结晶的链内成核模型

高分子的微观晶体生长动力学理论是高分子科学的重要研究课题之一。本文系统地介绍了近年来发展起来的高分子晶体生长动力学模型—链内成核模型。该模型能够对高分子结晶过程中的链折叠现象、分子分凝现象、二元链长共结晶现象、Regime转变现象和半晶织构现象给出较为合理的解释。这些现象为高分子结晶所特有,揭示了高分子有序化相转变行为的特殊性。在结语部分,本文还对比描述了以链间成核模式为主的一些情景,并对链内成核模型的进一步发展做了展望。     

双分散高分子薄膜中短链对长链缠结和动力学的影响

采用Monte Carlo微观模拟结合原始路径分析的方法,研究了分子量双分散的高分子薄膜中短链的质量分数对长链的缠结和动力学行为的影响.模拟发现,当短链的质量分数较大时,薄膜内缠结点之间的关联性较低,缠结点易于被解开,长链动力学受到链受限程度的控制,随着膜厚的减小单调减慢;当短链的质量分数较小时,薄膜内缠结点之间的关联性较高,缠结点不易被解开,缠结点数目和关联性共同导致长链动力学随膜厚的非单调变化.模拟结果为明晰分子量分布对高分子薄膜中链缠结和动力学行为的影响规律提供了有益参考.     

管子模型

高分子非线性流变学是发展高效、节能高分子材料及其加工技术的学科基础.针对缠结高分子流体,de Gennes、Doi和Edwards基于单链平均场近似建立了"管子模型".该模型奠定了现代高分子流体非线性流变学的基础,标志着人类描述缠结高分子流体步入了分子流变学时代.然而,"管子模型"过于简化的物理图像无法基于分子链本身和第一性原理,处理快速大形变条件下缠结高分子流体非线性流变学的一些问题;另一方面,"管子模型"无法统一描述近期的一些流变学实验现象.这就需要重新考虑现有的单链平均场假设和多链相互作用,建立分子流变学的新范式.本文介绍了"管子模型"及其修正理论的基本物理图像、概念及其发展历程,给出了该模型中核心方程的推导过程及其参数的物理意义,最后,对该领域的未来发展趋势以及面临的机遇和挑战进行了简明扼要的展望.希望通过本文能够加深读者对"管子模型"的认识和理解.     

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     

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。     

Monte Carlo模拟方法研究管道受限对高分子链缠结的影响

采用基于格子模型的Monte Carlo模拟方法,考察了链长分别为30和250的线形高分子在管道内受限状态下的尺寸及扩散性质.结果表明,当线形高分子的链长低于其缠结链长时,其受限条件下高分子的性质随受限程度的变化而单调变化;而当线形高分子的链长大于缠结链长时,高分子的性质表现出非单调性,进而说明受限具有一定程度的解缠结...     

高分子熔体和浓溶液流变性能的研究

基于多重缠结网络结构模型和高分子链上缠结点在流动中可进行动态解缠和再缠结的多重蠕动机理,用统计力学和动力学相结合的方法,分别计算出了缠结链组的末端距分布函数;处于缠结状态下高分子链构象统计分布函数;受力下聚合物熔体粘弹性形变自由能和解除外力下高分子挤出体可回复性粘弹性形变自由能,提出了高分子挤出体可回复形变的粘弹性分子理论。推导出的高分子熔体的回忆函数、简单剪切流下的本构方程和物料函数,并采用一种新的方法测定出物料的四种参数： η0、 GN0、 n′和 a。对于高分子挤出体,可回复性粘弹性形变由快速弹性形变和慢速粘弹性形变两者组成,当把两种形变量的复合结构参数－分子链的反式构象分数引入两种形变自由能表达式后,就从理论上得到了可回复形变量同挤出胀大比间的定量表达式,从而建立起一个具有分子链结构参数的新的挤出胀大比方程,可回复形变量同挤出条件（温度、挤出速率和量以及口模长径比不同的挤出机）和树脂结构特征（分子量及分布）的关系式以及在特殊情形下的简化表达式,并用几种高分子熔融体系的挤出胀大比和可回复性形变量的实验数据对理论进行验证,理论方程同实验数据较好的符合。     

部分解缠结聚苯乙烯在纳米孔道中的受限流动行为研究

高分子的长链特征使其对纳米到微米尺度的空间受限非常敏感,也是当前微电子电路、微器件传感器等领域材料制造及其工艺研发中的关键之一.本工作从不同缠结程度的窄分布聚苯乙烯出发,以不同孔径的阳极氧化铝模板为二维受限空间,研究了高分子熔体在其中的纳米受限流动行为.我们发现,缠结程度低的聚苯乙烯在受限流动初期显著快于本体,后因缠结恢复逐渐降至与本体相当,缠结恢复时间尺度与宏观流变实验获得的缠结恢复时间处于同一个数量级.我们认为缠结程度降低后流动的加速来源于受限状态时在压力梯度推动下高分子链通过蛇行进入孔道的速率加快;同时受限链段由于非平衡构象增多而重排更加频繁,导致强受限程度下部分解缠结样品的缠结恢复加快.本文希望通过对链缠结在高分子链进入受限空间中作用的探索,为受限态高分子复合材料的加工工艺提供新的理解.     

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.     

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.     

二维三角格子上高分子动态 Monte Carlo模拟的协同运动算法

在动态Monte Carlo模拟的协同运动算法中,几个相邻的链节可以同时运动,这可以理解为高分子链中张力的作用引起的协同运动。将这一算法用于二维三角格子模型上RW链和SAW链的模拟。结果表明RW链的动力学行为符合Rouse理论,说明说明该算法可以用于高分子动力学研究,其优点是不需要使用键长涨落模型。     

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.     

对高分子物理课程中链缠结教学的思考

缠结是高分子链所独有的,造成了高分子独特的结晶结构和运动方式,导致了高分子熔体较高的黏度,同时赋予了高分子材料较好的强度.通过对缠结涉及的相关知识点进行梳理与整合,在高分子物理授课过程中详细介绍并总结了缠结与结晶、橡胶平台、力学以及黏度之间的关系,有利于学生更好地掌握适合于高分子体系的思维逻辑,融会贯通高分子物理的重要...     

流场驱动高分子链迁移穿过微通道的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学模拟方法研究了高分子链在流场驱动作用下迁移穿过微通道过程中的链构象变化和动力学行为.在足够大的流场力驱动作用下,高分子链在沿着流场方向逐渐被拉伸,从而能够穿过管径小于其自身尺寸的微通道.耗散粒子动力学模拟结果表明高分子链的迁移过程主要分为3个步骤:(1)在流场驱动作用下,高分子链漂移并逐渐靠近微通道入口;(2)高分子链逐渐调整自身构象,并使其部分进入微通道;(3)高分子链成功穿过微通道.同时,模拟还发现当高分子链尺寸大于微通道细管道管径时,高分子链穿过微通道所需的平均迁移时间随着流量的增加而逐渐减小.此外,为了研究高分子链刚性对高分子链穿过微通道的影响,模型中还引入了蠕虫状高分子链模型.模拟结果发现,高分子链的链刚性越强,其迁移穿过微通道的时间越长.     

基于蠕虫链模型的半刚性单链高分子的结构因子

生物高分子、液晶高分子和共轭高分子都是具有半刚性性质的一维线型链状分子.半刚性高分子的链长与高分子的持久长度在同一数量级,蠕虫链是最好的用来研究这类半刚性高分子统计性质的理论模型之一.其特性表现为高分子键的取向极大地影响统计行为,同时链的不可伸长性约束了高分子链的构象.这些性质可以通过结构因子的分析来开展研究.结构因子是描述体系在各个尺度上密度关联的物理量,是联系散射实验和高分子理论研究的桥梁,既可以通过散射实验测量,也可以通过理论上对链模型对应的传播子积分得到.由于蠕虫链模型的构象同时依赖位置和取向自由度,因而严格求解其传播子非常困难.这严重限制了蠕虫链模型场论理论的发展,特别是限制了应用高斯涨落理论进行有序结构的稳定性分析.本文综述了广泛采用的蠕虫链模型结构因子的渐近解和经验公式,并着重介绍近年来严格求解结构因子的最新进展.通过分析结构因子在不同波数区域上的标度规律,展示了蠕虫链模型的多尺度特点,以及其他经典的高分子链模型的关系.     

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