環型聚合物的密度泛函理論及分子模擬研究

《環型聚合物的密度泛函理論及分子模擬研究》是依託北京化工大學，由曹達鵬擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：環型聚合物的密度泛函理論及分子模擬研究
• 依託單位：北京化工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：曹達鵬

項目摘要

環型聚合物（Ring Polymers）由於沒有末端鏈節的特徵使得它與其他類型的如線型、星型、分叉型聚合物有著不一樣的性質，因為環型聚合物不能像線型鏈狀聚合物那樣滑行，也不能像分叉狀聚合物那樣收縮。因此，對沒有末端鏈節的環型聚合物的物理化學性質開展研究具有十分重要的意義。為此，本課題將建立準確的環型聚合物的狀態方程，並在該狀態方程的基礎上構建非均勻環型聚合物流體的密度泛函理論，研究其熱力學特性及其在受限空間內的微觀結構和形態。考察環型聚合物密度、鏈長以及受限空間大小對其物理化學性質的影響、納米粒子和環型聚合物的混合體系的物理性質以及納米粒子/環型聚合物複合材料的物理化學性質。並用構型偏倚Monte Carlo模擬方法驗證該環型聚合物密度泛函理論的準確性，實現理論與模擬的有機結合，為功能導向的環型聚合物的實驗製備工作提供基礎和指導。

結題摘要

環型聚合物（Ring Polymers）由於沒有末端鏈節的特徵使得它與其他類型的如線型、星型、分叉型聚合物有著不一樣的性質，因為環型聚合物不能像線型鏈狀聚合物那樣“滑行”，也不能像分叉狀聚合物那樣“收縮。本項目基於generalized Flory-Huggins (GFH)理論，提出了一個適合環形聚合物流體的狀態方程。並且以二聚物為參考流體，首次建立了能夠描述非均勻環形聚合物流體行為的密度泛函理論。該理論能夠準確地重現分子模擬的結果，表明了理論的準確性。進一步研究發現，環形聚合物上單體的密度分布跟環形聚合物的聚合度無關。另外，通過研究環形聚合物流體在受限空間中的溶劑化作用力，我們發現環形聚合物流體的溶劑化作用力與無限長的線性鏈型聚合物非常相似。也採用粗粒度模型以及分子動力學模擬技術研究了棒形納米顆粒填料對聚合物複合材料性能的影響。通過調控納米顆粒和聚合物的相互作用，發現在中等界面相互作用時，棒形納米顆粒具有最好的分散和空間分布形式，有利於聚合物複合材料的增強和增韌。通過嫁接表面活性劑到棒形聚合物的表面，以及對體系施加剪下外力和聚合物間的偶聯，發現剪下外力、表面活性劑改性以及聚合物間的化學偶聯都有利於納米顆粒在聚合物基體中的分散。受到Zeolite分子篩拓撲結構多樣性以及Zeolite中矽原子4配位等特徵的啟發，我們採用4配位的TBM作為基元來替換所有不同拓撲Zeolite中的矽原子，設計了100多種不同拓撲的多孔有機材料。和母體Zeolite分子篩相比，這些材料具有更大的比表面積和更大的孔徑。在理論的指導下，本項目提出了混合配體方法，採用立體的TBM配體和不同配位的平面配體進行耦聯反應合成了孔形貌和尺寸可控的系列多孔有機聚合物材料。發現這些材料的BET比表面和孔容呈近似於線性分布，實現了該類材料的孔隙的有效調控。這類多孔聚合物材料的CO2吸附性能均符合“BET比表面越大，吸附容量越大”的特點。而且可以通過調控其單體比例來實現其螢光性能的調控。本項目的實施為環形聚合物及多孔聚合物理論提供了堅實的基礎。