聚合物/纳米粒子复合体系结构、动力学以及力学性质的模拟研究

We will develop coarse-grained simulation method that can effectively describe chain entanglement in polymer systems and the corresponding parallel high-perfermance GPU compution code, by which we will focus on polymer nanocomposite system, and study the effect of shape and size of nanoparticles and the interaction between nanoparticles and polymer chains on the distribution of nanoparticles, the diffusion dynamics of nanoparticles, the dynamics of polymer chains and the mechanical properties of polymer nanocomposites. Especially, we will focus on the physical origin of the effect of chain entanglement and disentanglement on the difussion of nanoparticles and the dynamics of polymer chains. Then we will concentrate on the influence of entanglement of polymer chains on the mechanical properties of polymer composites. We will try to understand the reason of nanoparticles enhancing the mechanical properties of polymer nanocomposites, and try to look for the general relationship among structure, dynamics and mechanical property of polymer nanocomposites. Our aim is to provide possible guidence to the optimization of processing conditions and mechaincal properties of polymer nanocomposites.

发展粗粒化模拟方法以及体现聚合物缠结性质的超高粗粒化模拟方法，结合GPU并行计算技术，针对聚合物纳米粒子复合体系，研究纳米粒子的形状、尺寸以及同聚合物之间的相互作用等因素对纳米粒子的分散状态、纳米粒子的动力学行为、聚合物链动力学以及复合材料力学性质的影响，探索聚合物基体的缠结与解缠结特性对纳米粒子动力学行为以及聚合物链动力学性质产生影响的内在本质，探讨聚合物基体的缠结对复合材料力学性能的影响规律，从不同角度理解纳米粒子增强聚合物材料力学性能的内在物理本质，寻找聚合物纳米复合体系结构、动力学和力学性质之间的一般性规律，为优化聚合物纳米复合材料的性能以及加工条件提供必要的理论指导。

纳米复合体系中的结构和动力学对材料的力学性质具有重要影响。为了明晰复合体系中结构、动力学和力学性质之间的关系，我们发展了适用于描述不同尺寸及形状的纳米粒子/聚合物复合体系的粗粒化模型及GPU模拟程序包，并将其整合成一个GPU高效并行模拟计算软件，其中包括不同形状以及相互作用的纳米粒子模型、不同链结构的高分子链模型以及复合体系模型，同时在软件包中集成了相应的结构表征手段和动力学性质表征手段，获计算机软件著作权1项。利用上述模拟程序包，考察了纳米粒子的形状、尺寸、含量、相互作用等因素对纳米粒子在聚合物基体中的分散状态以及高分子链动力学性质的影响规律。发现纳米粒子与聚合物链之间的相互作用是决定纳米粒子分散程度的重要因素，通过对纳米粒子的表面修饰可以改善其在聚合物中的分散状态。在均匀分散的球形纳米粒子复合体系中，高分子链的动力学变慢与纳米粒子附近的界面层有关，同时发现了高分子整链动力学与链节动力学性质的去耦合现象，且高分子链的动力学不均匀性与纳米粒子的平均间距有关。此外，桥形链比例的增加有助于复合体系形成逾渗网络结构，同时伴随着力学性能的增强。结合流变学研究和在线剪切光学显微技术手段，我们进一步明晰了聚合物的缠结对聚合物纳米复合体系中复杂流变性质产生影响的物理本质。发现纳米粒子在缠结聚合物基体中分散较好，而在非缠结聚合物基体中分散较差，易形成较大尺寸的聚集体。在剪切条件下，这些大尺寸的聚集体易形成涡度方向的取向结构，进而导致高剪切速率下负法向应力的产生。而在缠结聚合物复合体系中，并不存在较大尺寸的聚集体，因而在剪切条件下没有形成涡度取向结构，因此体系中并未出现负法向应力。以上结果能够为优化聚合物纳米复合材料的制备和加工条件提供必要的理论指导。在项目执行期间，在相关领域发表SCI收录的学术研究论文16篇，在国际国内会议作邀请报告12次；培养博士研究生5名。