高分子在纳米颗粒表面吸附热力学行为的理论研究【文献综述】.doc

1、毕业论文文献综述应用物理高分子在纳米颗粒表面吸附热力学行为的理论研究胶体颗粒物聚集的基本原理和方式胶体颗粒的聚集亦可称为凝聚或絮凝。胶体颗粒长期处于分散状态还是相互作用聚集结合成为更粗的粒子，将决定着水体中胶体颗粒分布变化规律，影响到其迁移输送和沉降归宿的距离和去向。基本理论一典型胶体的相互作用理论是以DLVO物理理论为基础的。我们假定胶体颗粒是颗粒尺度大小均等、球体形状的理想模型。这种颗粒在溶胶中进行热运动，其平均功能为23KT，两颗粒在相互接近的时候会产生几种作用力，即分子范德华力、静电排斥力和水化膜阻力。这几种力相互作用的综合位能会随粒子之间的距离而发生变化。基本理论二异体凝聚理论。这种

2、理论适用于处理颗粒物质本质性状不同、粒径大小不相等、电荷符号不同、电位高低部同的分散体系。异体凝聚理论的主要论点为如果两个电荷符号相异的胶体微粒接近时，吸引力总是占优势；如果两颗粒电荷符号相同但电性强弱不等，则位能曲线上的能峰高度总是决定于荷电较弱而电位较低的一方。因此，在异体凝聚时，只要其中有一种胶体的稳定性甚低而电位达到临界状态，就可以发生快速凝聚，而不论另一种胶体的电位高低如何。溶胶溶液中颗粒聚集方式，大体可概括一下几种，分别是压缩双电层凝聚、专属吸附凝聚、胶体相互凝聚、“边对面”絮凝、第二极小值絮凝、聚合物粘结架桥絮凝、无机高分子的絮凝、絮团卷扫絮凝、颗粒层吸附絮凝等。凝聚方式取决于颗

3、粒尺寸、颗粒带点性、位能、浓度、溶剂性质等因素。在实际情况中，凝聚、絮凝方式并不是单独存在，往往是数种方式同时发生，综合发挥聚集作用。复杂嵌段共聚高分子体系嵌段共聚高分子是由化学性质不同的嵌段通过共价化学键相连接而组成的长链分子。由于嵌段共聚高分子中界面能和链构象熵之间的精确平衡，嵌段共聚高分子体系可发生微相分离而形成极其复杂的相形态。由微相分离而生成的周期性的微相结构在热力学上是稳定的，其尺度通常在5100NM，因而也被看作是一类纳米复合材料。这些微相结构的存在以及与之相关的动力学行为，使嵌段高分子被广泛用于制造热塑性弹性体、高抗冲工程塑料、胶粘剂、添加剂和涂料等3。除了这些传统应用以外，近

4、10年来人们又利用嵌段共聚高分子内部的有序微相结构作为模板来制备规整的人工微结构，例如纳米点或纳米管的阵列4、无机介孔分子筛5、光子晶体6等。高分子SCMFT自洽场理论发展及应用二十世纪六十年代EDWARDS提出了聚合物体系的路径积分，他把凝聚态物理学中发展成熟的场论理论运用到聚合物体系的研究中来，为聚合物统计场论的发展奠定了重要基础。二十世纪七十年代HELFAUD等人开始发展自洽平均场理论的基本表述，并用于研究聚合物共混相分离界面等问题的分析。直到二十世纪八十年代初期，NOOLANDI等人才把自洽平均场理论的数学表述发展得更加漂亮了，科学家们开始用自洽平均场理论研究聚合物凝聚态物理中的各种问

5、题，并着手讨论自洽平均场理论与其他理论之间的关联。由于自洽平均场理论比较全面、完善，从二十世纪八十年代自洽平均场理论建立以来，其理论表述上基本没有什么变化，而发展和变化的主要是各种计算方法。最突出的就是MATSENSCHICK的谱方法和DROLETFREDRICKSON的实空间计算方法。当然最近发展的SCMFT与密度泛函理论的联用可以把自洽场理论推广到更复杂的软物质体系。SCFT理论已经在AB两嵌段共聚高分子和其他微相分离形态的预测方面取得了巨大的成功。对这些微相分离形态稳定性的判定和相分离机理的诠释也得益于近20年来高分子凝聚态物理理论的长足进步。近20年来高分子体系的SCFT的主流理论都是

6、建立在高分子链的GAUSSIAN模型的基础上，并在不同程度上考虑了决定高分子体系相行为的三个最重要的因素各组分之间的相互作用能、链伸展带来的熵效应以及体系的不可压缩性。在嵌段共聚高分子体系的微相分离形态的研究方面已经发挥了强大的预测和设计功能。然而，由于高分子体系特有的复杂性，仍有大量的高分子科学问题尚无法用SCFT方法顺利地进行理论处理。至少，下面列出的这些问题对SCFT的发展提出了巨大的挑战。1由于SCFT的计算工作量仍较大，迄今为止的大部分研究是在两维空间中完成的。对于复杂拓扑结构的多嵌段共聚高分子体系微相分离的复杂形态，如GYROID相等网络状结构，体系在三维空间上的信息便显得十分重要

7、。2近年来，大量的研究兴趣转移到含有刚棒型和/或半刚性链段的嵌段、能结晶的嵌段、能交联和溶胀的嵌段等非GAUSS链的复杂嵌段高分子体系，但目前的自洽场理论还无法处理这些体系，因此突破GAUSS链模型的桎梏也将构成SCFT的重要发展趋势。3自洽场理论还是一个平均场理论，忽略了涨落对体系相行为的影响。但是，涨落对理解实际体系的有序无序转变和相尺寸变化有相当重要的意义。对于低浓度高分子溶液，浓度涨落的空间相关行为尤为重要。4从高分子材料科学的角度来说，多相高分子体系形态设计的目的是要达到所需的各相关物理性能要求，多相高分子体系的粘弹性行为是其特有的重要性质。从目前情况来看，DSCFT方法是解决该问题

8、的最有希望的理论起点。多重网格法简述由于SCFT的计算工作量较大。虽然在大多数情况下两维空间的研究已经能够提供关于所研究体系的足够而又精确的。然而，对于复杂拓扑结构的多嵌段共聚高分子体系微相分离的复杂形态，体系在三维空间上的信息便显得十分重要。SCFT自冾方程组中包含高分子链节几率分布函数的扩散方程。二维直角坐标系中修正型扩散方程可采用交替方向隐式法ALTERNATINGDIRECTIONIMPLICITMETHOD,即ADI,将每一时间步长分成相等的前后两半步,在前半步中,对X方向采用隐式,对Y方向采用显式在后半步中,对Y方向采用隐式,对X方向采用显式这样,在每一半步中都可以采用一维坐标系中

9、的三对角矩阵快速求解。在三维空间中,交替方向隐式法比较复杂。运用多重网格方法可以快速求解二维和三维空间中的修正型扩散方程,程序编写比交替方向隐式法简单。多重网格方法的特点是采用多层粗细不同的网格，一般相临的两层网格粗细差一倍。利用多层粗细不同的网格，对不同频率的误差进行比较均匀的衰减，细网格可以平滑抹去高频率的误差，而粗网格可以平滑抹去低频率的误差，从而加快迭代收敛的速度。论文目标运用高分子自洽场理论，通过编写计算机程序求解自洽方程组进行计算机数值模拟，分析高分子在纳米颗粒表面吸附热力学行为；运用多重网格方法通过编写计算机程序进行数值模拟，分析高分子在纳米颗粒表面上的吸附，计算高分子链构象中成

10、尾巴和成环圈的比例，分别阐明高分子链构象与吸附层厚度、高分子链排除体积、高分子链链长等的关系。参考文献1PARKM,HARRISONC,CHAIKINPM,ETALBLOCKCOPOLYMERLITHOGRAPHYPERIODICARRAYSOFSIMILARTO1011HOLESIN1SQUARECENTIMETERSCIENCE,1997,276140114042MORKVEDTL,WILTZIUSP,JAEGERHM,ETALMESOSCOPICSELFASSEMBLYOFGOLDISLANDSANDDIBLOCKCOPOLYMERFILMSAPPLPHYSLETT,1994,644224243MATSENMW,JPHYSCONDENSMATTER14,R2120024杨玉良邱枫唐萍张红东中国科学B辑化学，49,2120065SCHEUTJENSJMHMFLEERGJ,JPHYSCHEM83,161919796YANGS,YANDD,SHIAC,MACROMOLECULES,39,41682006IWHAMLEY,PHYSICSOFBLOCKCOPOLYMERS,OXFORDUNIVERSITYPRESS,OXFORD,ENGLAND1999