高分子溶液中共聚反应与高分子聚集的协同竞争效应

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共聚反应是提高聚合物性能的重要途径之一,它可被应用于控制聚合物的组成、序列及结构。对于不相容组分,由于界面能与链的构象熵之间存在着微妙的平衡,嵌段共聚物可以发生微相分离,形成纳米级的微相结构。这些微相结构热力学性质稳定,在介观尺度上具有较规则的空间对称性,所以在工业上有广泛的应用。近几十年来,共聚反应中的聚合诱导相分离已经引起广泛关注,两亲性共聚物在选择性溶剂中发生相分离反应形成以亲水嵌段为核及疏水嵌段为壳的胶束结构。除此之外,也有科学家通过修改的反应程序研究了不相容组分之间的本体共聚反应,并且发现调节共聚单体之间的不相容性参数对生成共聚物的组成和结构具有重要影响。那么在溶液体系中调节单体之间的不相容性又对于共聚物的组成和结构有什么影响?反应速率对于共聚物的组成和结构又是否有影响?这些问题对于实验上设计和改进共聚物材料的宏观性能至关重要,而解决这些问题的核心就是从微观角度正确理解共聚反应与高分子聚集的协同竞争效应。本论文利用耗散粒子动力学模拟方法结合聚合反应模型,在A/B二元共混溶液体系中,通过简单调节共聚反应中某一组分与溶剂的相溶性,研究了共聚反应诱导高分子聚集的过程和高分子聚集效应增强聚合反应的过程。我们的模拟结果表明共聚反应对于聚集体的形成具有复杂的作用及影响,也就是说,一方面共聚反应可能诱导一种单体聚集,增大相分离的驱动力;另一方面共聚反应具有将两种单体混合的效应。我们发现聚合反应过程基本遵循一级反应动力学规律。随着溶剂对B单体溶解性的下降,聚合反应过程逐渐偏离一级反应动力学规律。在对称反应体系中,共聚物链的分散性随反应概率的增大而减小。通过扩散受限动力学以及反应受限动力学这两种理论可理解这一反常的结果。对于快速反应来说,B单体在聚合反应发生之前还没有足够的时间聚集在一起,所以共聚反应仍在均匀的溶液条件下进行,这有利于形成单分散性链。然而,对于反应速率慢的反应来说,B单体在共聚反应的前期就已经基本聚集,于是聚合反应被划分为两部分,即A单体在溶液中的均聚反应和B聚集体中B单体类似于本体均聚的反应。这种聚合条件的差异必然导致聚合物链分散性的增大。在非对称反应体系中,优先共聚反应的体系,分子量分布峰形接近于高斯形状。优先均聚反应的体系与之对比,分子量分布形状呈明显的双峰分布形状。该研究有助于更好地理解形成共聚物材料中反应动力学与扩散动力学之间的协同竞争关系,并且为在工业中更好地设计与改进共聚反应工艺提供指导。
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