非均相聚合物流体的粘弹性介观模型及其相分离研究

Dynamic asymmetry between two components of mixture plays a crucial role in formation of special morphologies in phase separation of polymeric fluids. Here, we propose to build a mesoscopic model of polymeric viscoelasticity, which is based on the polymeric field-theoretic method and Doi's two-fluid model. A hybrid numerical strategy, which couples finite different method, lattice Boltzmann method, and spectral method, will be developed to sovle the model equations. This project aims at a highly efficient and numerically stabe simulation method for viscoelastic phase separation of complex fluids. Our new method will ultimately be applied for phase separation of homopolymer mixure and microphase separation of block copolymers to reproduce the special morphologies and phenomenon in experiment observation of visoelascity phase separation,and to unravel the universal mechanisms of viscoelastic phase separation in polymeric fluids.

粘弹性引起的动力学不对称性是聚合物在相分离过程中形成特殊形貌的重要原因之一。本项目拟结合聚合物场论和Doi双流体模型，在介观层次上建立聚合物粘弹性模型，并结合有限差分方法、格子Boltzmann方法和谱方法等多种数值方法，发展能适用于复杂流体相行为研究且高效而稳定的模拟方法，用于模拟均聚物共混体系的相分离和共聚物体系的微相分离等过程。通过本项目的实施，以期重现实验中观察到的特殊形貌和现象，并掌握粘弹性影响聚合物相分离的普适性规律。

本项目主要是建立聚合物场论的动力学模型和发展高效及高精度的数值算法，并进行共聚物粘弹性行为以及共聚物微相分离的研究。主要获得了以下几个研究成果：（1）明确了介观粘弹性模型中各方程之间的耦合关系，模拟重现了聚合物粘弹性相分离的相反转现象，这与实验和其它模拟方法得到的结果一致。（2）发展了一种组合动态场论和变元胞的模拟方法，能有效地消除共聚物微相结构的内应力；通过研究共聚物的相分离动力学，提出了quick-slow、one-step和step-wise有序机理，并系统地探讨了有序机理的影响因素。此外，拓展了一种球谐基函数的赝谱方法，预测了共聚物在球表面独特的scars缺陷结构，并明晰了不同缺陷结构的湮灭机制。（3）发展了大尺度场论模拟技术，并应用于共聚物引导自组装的长程有序纳米结构研究。通过引入柱的各向异性，共聚物自组装形成单一取向的长程有序结构；通过设计柱的高度和间距，共聚物自组装形成上下层微区取向可独立调控的三维结构；通过组合不同的柱，共聚物自组装形成面向器件的有序纳米结构（如T-形结和垂直连接等）。