良溶剂中环形高分子单链的结构与动力学性质的模拟研究

本文采用多粒子碰撞动力学与分子动力学耦合的模拟方法研究了环形高分子单链在良溶剂中的静态与动态性质,并与线形分子进行了对比.研究发现,环形高分子链内粒子之间的平均距离小于线形链,即粒子排列得更加紧密;相应的均方回转半径也小于线形链,线形链与环形链的均方回转半径的比值为1.77;同时,环形链扩散的速度也比线形链快,两者比值为1.10.模拟结果揭示了扩散行为是排斥体积作用和流体力学相互作用耦合的结果,在扩散过程中,流体力学相互作用消减了排斥体积作用对扩散行为的贡献.此外,通过对有和没有流体力学相互作用的多粒子碰撞动力学得到的结果作对比,研究了流体力学相互作用对高分子静态和动态行为的影响,结果表明,流体力学相互作用使高分子链在极稀溶液中的扩散速度变快.     

不同压力条件下氢化丁腈橡胶的应力弛豫及分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法构建了氢化丁腈橡胶的分子链结构并计算出不同压缩比下的均方回转半径,同时对应力弛豫进行了理论预测并与压缩应力弛豫实验结果进行了对比.研究发现,均方回转半径随着压力的增大而逐渐降低,随着温度的增大而逐渐增大;在不同压力下,应力均随着时间的增大而逐渐降低而且当时间达到一定程度后应力降低逐渐平缓;计算结果表明压力增大或低温下均方回转半径小、弛豫时间长,体系越表现出弹性特征,此结果表明可用均方回转半径的变化来定量描述橡胶材料体系的应力弛豫变化,分子模拟得到的应力弛豫规律与实验结果有较好吻合.     

支化高分子的邻接矩阵及其结构参数计算

本文基于支化高分子的邻接矩阵获得了其子链分布,进而给出含溶剂效应在内的支化高分子尺度和结构参数的子链计算方案.作为应用,以AB2型单体聚合形成的无规支化高分子为例,本文计算了支化分子的均方回转半径、平均最大链长和平均链长,明确了它们与聚合度及支化点密度之间的标度关系.结果表明,在理想链和真实链的情形下,尽管支化高分子的...     

多检测GPC／SEC技术在高分子表征中的应用：Ⅲ.新型聚炔类梳形？…

采用体积排斥色谱法／示差折光指数／直角激光光散射／示差粘度三检测联用技术表征聚炔类梳形液晶高分子,阐述了在溶液中分子尺寸与结构的关系,计算了无无扰尺寸（〈ｒ０＾２〉／Ｍ）＾１／２和Ｆｌｏｒｙ特征比Ｃ∞,讨论了侧基的柔性和体积对主链柔性程度的影响。     

高分子相分离的分子动力学模拟

用粗粒化分子动力学(MD)模拟方法从分子层次研究两组分聚合物共混体系相分离过程中的动力学. 在相分离初期, 相区尺寸不随时间增加而变化; 在相分离中期, 相区尺寸与时间有很好的标度关系, 标度指数(α=1/3)符合Lifshiz-Slyozov提出的以扩散为主导的蒸发-凝聚机理的标度预测; 在相分离后期, 体系实现宏观相分离, 相区尺寸不再随时间改变而变化. 体积分数小的高分子链尺寸在相分离过程中先收缩再扩张, 在实现宏观相分离后, 高分子链尺寸又回到本体状态尺寸.     

溶液中柔性树枝状高分子的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了柔性树枝状高分子在无热溶剂中的静态和动态行为. 模拟结果表明: 在分子尺寸和回转半径Rg满足标度律Rg~N1/5(G+1)2/5P2/5(其中N为树枝状分子的聚合度, G为代数, P为链节长度, g为子代代数)时; 随着代数的增加, 树枝状分子和硬球的静态结构因子相似, 表明其内部结构发生了由“类星形”向“近球形”转化. 随着树枝状分子代数和链节长度的增加, 出现了“单元”(Monomer)密度几乎不变的区域. 树枝状分子的回折能力随着链节长度的增加而增强, 随着代数的增加而减弱. 树枝状分子各子代的运动能力不同, 与内层子代相比, 外层子代在短时间内扩散较慢, 但其松弛较快. 相对于Rouse指数, 树枝状分子“单元”运动的标度更接近Zimm指数.     

高分子玻璃化转变过程的分子动力学模拟本科教学实验

玻璃化转变是高分子专业教学中的重要内容,转变过程中自由体积的变化和分子链段的运动是理解玻璃化转变的难点。在计算机上使用分子模拟的方法得到三维的可视化图形,可以更直观地观察到自由体积和分子链的变化。提炼近年分子模拟技术在玻璃化转变研究中的最新科研成果,得到既有理论基础又适合本科教学的课程素材。分子模拟可以实现了仪器测试无法达到的超快速升降温,并与仪器测试得到的实验结果相对照,验证了普通实验很难验证的理论观点,从而拓展了本科实验的范围,达到了很好的教学效果。     

多检测GPC/SEC技术在高分子表征中的应用 Ⅲ.新型聚炔类梳形液晶高分子

采用体积排斥色谱法／ 示差折光指数／ 直角激光光散射／ 示差粘度三检测联用技术表征聚炔类梳形液晶高分子,阐述了在溶液中分子尺寸与结构的关系,计算了无扰尺寸（ ＜ ｒ２０ ＞ ／ Ｍ）１／２ 和Ｆｌｏｒｙ 特征比Ｃ∞,讨论了侧基的柔性和体积对主链柔性程度的影响。     

高分子粗粒化分子动力学模拟进展

模拟与理论、实验相互补充,彼此验证,使我们在原子和分子尺度上理解相关实验现象中的微观物理机制。结合高性能计算机和计算技术的发展,模拟已发展成为独特的高分子科学研究手段,在高分子材料优化设计和性能与结构问的性能关系研究中起重要作用。高分子具有不同层次的结构,材料的性质和功能不仅取决于化学结构和分子性质,而且很大程度上取决...     

不同接枝度的十八硫醇化聚氯乙烯梳状聚合物的结构和性能

通过亲核取代反应,制备了一系列不同接枝率的十八硫醇(C_(18)H_(37)SH)接枝改性聚氯乙烯(PVC)(记作PVCS18).通过傅立叶变换红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(1H-NMR)、示差扫描量热仪(DSC)、热重分析(TG)和X射线衍射(XRD)对PVCS18的结构、相变行为、热稳定性和热能行为进行了研究.结果表明,随十八硫醇钠(C_(18)H_(37)SNa)投料的增加,PVCS18接枝率增加,最高达到50.2%.PVCS18相转变的出现,主要是接枝的十八烷基链段贡献的.随接枝率由8.5%增加到50.2%,相转变温度由61.7℃升高到66.3℃,热焓值由5.3 k J/mol提高到50.9 k J/mol,结晶碳原子数从1.4增加到13.8.主侧链间连接键的极性和基团大小明显影响侧链烷基的结晶能力及可结晶碳原子数目.PVCS18的热稳定性较PVC的没有明显热损失行为出现,该材料可在较高的温度下加工使用.     

聚丙烯酰胺稀溶液的分子模拟

聚丙烯酰胺(PAM)是一类重要的线性水溶性聚合物,具有"百业助剂"之称,因此对其溶液性质的研究意义重大.在溶液质量浓度约为1g·mL-1的基础上,分别构建了含有不同水分子数的溶液模型.采用分子动力学(MD)方法模拟分析了不同温度下非离子型的聚丙烯酰胺(PAM-H)和阴离子型的聚丙烯酰胺(HPAM)在纯水溶液及含不同质量分数NaCl的水溶液中的回旋半径(Rg).结果发现,不同温度下PAM-H和HPAM的抗盐性能的模拟结果与实验数据基本吻合,水分子数不同的溶液模型所得模拟结果趋势没有明显变化,为了提高模拟效率,选取含有2000个水分子的溶液模型分析HPAM链中氧负离子及氧原子的径向分布函数,从微观结构模拟说明了HPAM水溶液粘度随NaCl质量分数增加而减小,且HPAM比PAM-H具有较好的增粘效果及较差的抗盐性能的原因.     

非等活性加核自缩合乙烯基聚合体系回转半径的Monte Carlo模拟

利用Monte Carlo模拟方法研究了加核自缩合乙烯基聚合反应体系中超支化高分子的二次回转半径随双键转化率的变化情况. 在模拟中, 重点考察了两类活性基团的反应活性差异、 引发核的配比及基团数等因素对超支化高分子均方回转半径的影响. 结果表明, 上述因素对于超支化高分子的尺度有着显著影响, 从而可为调控体系中高分子的空间尺度提供有效途径.     

气体在无定型聚异戊二烯中扩散的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了多个温度下氧气、氮气及甲烷在无定型顺式1,4-聚异戊二烯中的扩散系数。在模拟过程中,使用COMPASS力场作为分子力场。应用COMPASS力场的势能函数,聚合物的密度及玻璃化转变温度的计算结果与实验值有较好吻合。在278-378 K的温度范围内,通过3或1.5 ns时长的正则系综动力学模拟,计算了不同温度下氧气、氮气及甲烷的扩散系数。结果表明,根据爱因斯坦关系式计算得到的扩散系数与实验结果比较接近。对气体扩散系数与温度的关系进一步研究,发现在278-378 K温度范围内,甲烷的扩散系数随温度变化的半对数曲线图是非线性的,而氧气和氮气的扩散系数随温度变化的半对数曲线图是线性的。本文研究结果有助于理解温度对气体扩散的影响机制,并为高温下气体在天然橡胶中扩散系数的测定及天然橡胶热氧老化建模分析提供依据。     

Viscosity of heavy n-alkanes and diffusion of gases therein based on molecular dynamics simulations and empirical correlations

The viscosity of pure n-alkanes and n-alkane mixtures was studied by molecular dynamics (MD) simulations using the Green–Kubo method. n-Alkane molecules were modeled based on the Transferable Potential for Phase Equilibria (TraPPE) united atom force field. MD simulations at constant number of molecules or particles, volume and temperature (NVT) were performed for n-C₈ up to n-C₉₆ at different temperatures as well as for binary and six-component n-alkane mixtures which are considered as prototypes for the hydrocarbon wax produced during the Gas-To-Liquid (GTL) Fischer–Tropsch process. For the pure n-alkanes, good agreement between our simulated viscosities and existing experimental data was observed. In the case of the n-alkane mixtures, the composition dependence of viscosity was examined. The simulated viscosity results were compared with literature empirical correlations. Moreover, a new macroscopic empirical correlation for the calculation of self-diffusion coefficients of hydrogen, carbon monoxide, and water in n-alkanes and mixtures of n-alkanes was developed by combining viscosity and self-diffusion coefficient values in n-alkanes. The correlation was compared with the simulation data and an average absolute deviation (AAD) of 11.3% for pure n-alkanes and 14.3% for n-alkane mixtures was obtained.     

Computer Simulations of Interpolyelectrolyte Complexes Formed by Star-like Polymers and Linear Polyelectrolytes

Complexes formed by star-like polymers of various topology and oppositely charged linear polyelectrolytes were simulated using Brownian dynamics technique. Structural properties and their dependence on the polyelectrotyte charge were investigated and compared with similar data for complexes with dendrimers. Remarkable overcharging was observed for all stars in complexes.     

Structural and Transport Characteristics of UCl3 in Molten LiCl-KCl Mixture: a Molecular Dynamics Simulation Study

To obtain suitable data for the pyrometallurgical post-processing in the fusion-fission hybrid reactor, the structure and transport characteristics of molten LiCl-KCl mixture containing UCl₃ were studied by molecular dynamics simulation. The radial distribution functions, densities, and self-diffusion coefficients were investigated at various molar fractions of UCl₃. In the molten LiCl-KCl-UCl₃ salt mixture, the first peak for g_U-Cl(r) was located at 0.266 nm, which was slightly left-shifted than the X-ray diffraction data, i.e., 0.285 nm for pure molten UCl₃. The preexponential factors for U³⁺ decreased from 46.2×10^-5 cm²/s to 32.2×10^-5 cm²/s as the molar fraction of U³⁺ increased from 0.005 to 0.05.     

氧气在碱溶液中结构与扩散系数的分子动力学模拟

采用分子动力学方法对不同温度(25-120 ℃)及碱浓度(1:100-1:5, 摩尔比)下NaOH和KOH溶液中的氧气进行了模拟. 本文考察了NaOH及KOH溶液中溶剂-溶剂、氧气-溶剂及氧气-溶质的径向分布函数, 并采用爱因斯坦方程从均方位移曲线中计算得到了氧气及溶质离子的扩散系数. 结果显示随着碱浓度的升高, 氧气扩散系数逐渐减少; 在相同条件下, 氧气在NaOH溶液中扩散系数小于在KOH溶液中的扩散系数; 溶质离子扩散系数的变化规律与氧气一致. 通过与现有实验结果对比, 发现了分子动力学方法的可靠性及用于研究实验受限领域的优越性.     

腐蚀介质在缓蚀剂膜中扩散行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,从缓蚀剂膜阻碍腐蚀介质粒子(H2O、H3O+和HCO3-)向金属表面扩散的角度,研究了4种1-R1-2-十一烷基-咪唑啉缓蚀剂(R1:羧甲基(A),羟乙基(B),氨乙基(C),氢(D))抑制碳钢CO2腐蚀的缓蚀机理,并对其缓蚀性能进行了理论评价.腐蚀介质粒子在不同缓蚀剂膜中的扩散系数、粒子与膜的相互作用能以及膜的自扩散性能的计算结果表明:4种缓蚀剂均可形成稳定的缓蚀剂膜,能有效阻碍腐蚀介质粒子向金属表面的扩散,达到抑制或延缓腐蚀的目的;随亲水支链(R1)极性的增加,缓蚀剂膜对腐蚀介质粒子扩散行为的抑制能力逐渐增强;同种缓蚀剂膜对正负离子H3O+和HCO3-比对中性的H2O分子具有更强的扩散抑制能力.综合计算及分析结果,4种缓蚀剂缓蚀性能的理论评价结果为ABCD,与文献实验结果吻合.