不同拓扑结构的两亲性嵌段共聚物在溶液中自组装的理论模拟研究

发布时间：2017-03-29 23:24

  本文关键词：不同拓扑结构的两亲性嵌段共聚物在溶液中自组装的理论模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中可以自组装形成各种不同形态的聚集体,包括球形胶束、棒状胶束、盘状胶束以及囊泡等。与小分子聚集体相比,共聚物具有更高的力学和物理性能,因此形成的聚集体具有更高的稳定性和耐久性。近年来,共聚物在溶液中的自组装引起了人们的广泛关注,是当前嵌段共聚物领域的前沿研究方向之一。它们在许多领域具有潜在的应用价值,例如生物医药、生物材料、微电子、光电材料和催化剂等。同时,纳米粒子与嵌段共聚物的组装杂化体也是大家关注的研究热点。纳米粒子和嵌段共聚物组装可以形成各种结构的杂化体,杂化体不但具有各个组分固有的性质,而且能够产生新的性质,可以应用于示踪材料、光电子纳米器件以及化学传感器等。精确控制纳米粒子在不同形态的聚集体中的分布将影响聚集体的性质及其潜在的应用,因而具有非常重要的理论意义和实际意义。本论文运用耗散粒子动力学模拟方法研究了不同拓扑结构的两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装,包括温敏性多嵌段共聚物、类表面活性剂型共聚物以及两嵌段共聚物接枝纳米粒子的自组装行为。主要研究内容和结果如下：温敏性多嵌段共聚物在溶液中自组装形成囊泡及其动力学的研究。通过改变温度,模拟发现囊泡是通过成核增长的机理自发形成的。在温度较高的时候,首先形成球形胶束；随着温度的降低,球形胶束中心出现空腔；随着温度的进一步降低,囊泡的空腔逐渐增大,而囊泡壁逐渐变薄。以上模拟结果与实验中观察的现象是完全一致的。通过改变温度和疏水链段的长度,得到了两者之间的关系相图。相图中大部分区域都形成热力学稳定的囊泡结构,即囊泡可以在很大的参数范围内形成。然后,我们重点研究了囊泡及空腔大小与亲疏水性链段的长度的关系。研究发现具有较短疏水性链段或较高亲水性的嵌段聚合物更容易形成具有较大空腔和较薄囊泡壁的囊泡；而具有较长亲水性链段的聚合物形成具有较小空腔和体积较大的囊泡。同时,亲水链段的长度也会影响囊泡形成机理。当亲水链段较短时,囊泡以成核增长的机理形成；而亲水链段增长时,以双层膜闭合的机理形成。类表面活性剂型共聚物在选择性溶剂中自组装相行为的研究。我们的模型基于实验研究中的PS-APOSS和PS-AC60两亲性共聚物,它们具有一个亲水性的头部基团,与之连接一条或多条疏水链。通过改变疏水链段的长度、亲水粒子的大小以及疏水链段的数量,发现它们可以自组装形成一系列复杂形态,包括球形、柱状、囊泡、盘状、蛹状、分段柱状、分层球状以及大复合胶束。研究发现当亲水粒子半径较小时,此类聚合物表现出两嵌段共聚物的相行为；而当亲水粒子半径较大时,亲水粒子表现出一定的疏水性。更重要的是,尽管蛹状和分层柱状胶束在以前的研究中已经发现,但是它们都是由三嵌段或杂臂星形共聚物自组装得到的。到目前为止,我们首次用类表面活性剂型共聚物组装得到了分层柱状结构的胶束。同时,我们还考察了囊泡、蛹状胶束和分层柱状胶束的动力学形成过程。囊泡是通过双层膜弯曲闭合形成的；而蛹状和分层柱状胶束的形成过程分为三个阶段,包括聚集、融合和生长、调整。通过对这些特殊形态胶束的动力学形成过程的研究,有助于我们揭示聚集体形成的真正原因,更好的理解类表面活性剂型共聚物的自组装行为。嵌段共聚物接枝纳米粒子在稀溶液中的自组装及纳米粒子在胶束中的选择性定位。通过改变纳米粒子和嵌段共聚物的相互作用参数、接枝聚合物数量以及疏水链段的长度,聚合物可以组装形成不同形态的聚集体,包括球形胶束、囊泡、盘状胶束以及棒状胶束。更重要的是纳米粒子可以选择性的位于聚集体中的不同区域。当嵌段共聚物和纳米粒子的相互作用参数aPA=aPB=25时,纳米粒子均匀分布在球形胶束中；随着aPA或aPB的增大,纳米粒子逐渐与嵌段共聚物分离、聚集,最后位于囊泡壁、盘状胶束和柱状胶束的中心区域。随着接枝链段数量的增多和疏水链段的增长,纳米粒子在胶束中可以形成纳米线、纳米环以及纳米团簇。此外,随着aPA或aPB的增大,嵌段共聚物链段的伸展度也逐渐增大,而当聚集体形态从球形变为盘状最后变为柱状时,疏水链段的伸展度逐渐减小。我们还利用自由能理论定性的解释了聚集体形态的转变。疏水核的界面自由能(EInterface)和堆积自由能(ECore)主要控制聚集体的形态,促使形态从球形变为盘状然后再转变为柱状。
【关键词】：耗散粒子动力学 两亲性嵌段共聚物 纳米粒子 自组装 形态转变 囊泡 形成机理 表面活性剂
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O631.2
【目录】：

• 中文摘要4-7
• abstract7-14
• 第一章 绪论14-56
• 1.1 高分子嵌段共聚物的自组装15-31
• 1.1.1 嵌段共聚物在本体中的自组装16-18
• 1.1.2 嵌段共聚物在溶液中的自组装18-31
• 1.1.2.1 自组装胶束的形态20-22
• 1.1.2.2 胶束形态转变与堆积参数22-25
• 1.1.2.3 嵌段共聚物自组装的理论模拟研究25-31
• 1.2 纳米粒子与嵌段共聚物的共组装31-37
• 1.2.1 纳米粒子在胶束中的定位33-37
• 1.2.2 纳米粒子与嵌段共聚物共组装的模拟研究37
• 1.3 本论文的主要研究内容和意义37-40
• 参考文献40-56
• 第二章 模拟方法与理论基础56-70
• 2.1 场论模拟方法56
• 2.2 粒子化模拟方法56-65
• 2.2.1 分子动力学方法56-57
• 2.2.2 布朗动力学模拟方法57
• 2.2.3 蒙特卡洛模拟方法57-58
• 2.2.4 耗散粒子动力学方法58-65
• 2.2.4.1 耗散粒子动力学方法的发展概述58-59
• 2.2.4.2 基本原理59-62
• 2.2.4.3 积分算法62-63
• 2.2.4.4 周期性边界条件与最小镜像63-65
• 参考文献65-70
• 第三章 温敏性多嵌段共聚物在溶液中的自组装及囊泡结构性质70-94
• 3.1 前言70-71
• 3.2 模型与模拟条件71-72
• 3.3 结果和讨论72-89
• 3.3.1 温度对囊泡形成的影响72-79
• 3.3.1.1 模拟结果和实验结果的对比72-76
• 3.3.1.2 温度和疏水链段长度对聚集体形态的影响76-79
• 3.3.2 囊泡的结构性质79-84
• 3.3.2.1 疏水性链段长度的影响79-81
• 3.3.2.2 亲水性链段长度的影响81-84
• 3.3.2.3 胶束中分子链的堆积模式84
• 3.3.3 囊泡形成的动力学过程84-89
• 3.3.3.1 亲水链段长度对囊泡形成机理的影响85-87
• 3.3.3.2 疏水链段长度对囊泡形成机理的影响87-89
• 3.4 本章小结89-90
• 参考文献90-94
• 第四章 类表面活性剂型共聚物在溶液中的自组装94-114
• 4.1 前言94-95
• 4.2 模型与模拟条件95-97
• 4.3 结果和讨论97-108
• 4.3.1 模拟结果和实验结果的对比97-99
• 4.3.2 H-T_n型共聚物的形态相图99-101
• 4.3.3 亲水粒子大小对聚集体形态的影响101-104
• 4.3.4 几种特殊形态聚集体的形成过程104-107
• 4.3.5 疏水链段数量对胶束形态的影响107-108
• 4.4 本章小结108-110
• 参考文献110-114
• 第五章 嵌段共聚物接枝纳米粒子在溶液中的自组装及纳米粒子的选择性定位114-136
• 5.1 前言114-116
• 5.2 模型与模拟条件116-117
• 5.3 结果和讨论117-130
• 5.3.1 聚集体的形态相图117-119
• 5.3.2 纳米粒子在胶束中的选择性定位119-122
• 5.3.2.1 纳米粒子和嵌段共聚物相互作用的影响119-121
• 5.3.2.2 聚合物接枝数量和疏水链段长度的影响121-122
• 5.3.3 胶束中链段的堆积模式122-124
• 5.3.4 聚合物链段的伸展度124-128
• 5.3.5 胶束形态转变的理论分析128-130
• 5.4 本章小结130-131
• 参考文献131-136
• 第六章 总结和展望136-140
• 6.1 论文总结136-137
• 6.1.1 温敏性多嵌段共聚物的自组装136
• 6.1.2 类表面活性剂型共聚物的自组装136-137
• 6.1.3 嵌段共聚物接枝纳米粒子的自组装137
• 6.2 论文的创新点137-138
• 6.3 展望138-140
• 攻读博士学位期间科研成果140-142
• 致谢142-143

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 唐林;宋颖;李冬梅;马晓燕;;嵌段共聚物自组装的研究进展[J];高分子通报;2011年03期

  本文关键词：不同拓扑结构的两亲性嵌段共聚物在溶液中自组装的理论模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：275694