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@joyphys 2015-08-30T12:28:13.000000Z 字数 5996 阅读 2514

Zhulina 的高分子刷理论

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高分子刷的解析平均场理论有两种表述方式。一个是MWC理论(Macromolecules 1988, 21, 2610-2619),另外一个就是Zhulina和Birshtein这两位俄罗斯老太太的理论(Macromolecules 1991, 24, 140-149),后者在物理上更直接,我重新整理一下,是为此文。

高分子刷的(平均一根链的)自由能ΔF为链的熵弹性ΔFel与排除体积作用能ΔFconc之和:

ΔF=ΔFel+ΔFconc(1)

排除体积作用能
ΔFconc=σa3∫f[φ(x)]dx(2)

其中σ为平均一根链在接枝面上所占据的面积,φ(x)为高分子体积分数,f[φ(x)]/a3为相互自由能密度。

接枝链的熵弹性:

ΔFel(x′)=32a2∫N0(dxdn)2dn=32a2∫N0dxdndxdndn=32a2∫x′0dxdndx=32a2∫x′0dxdndx=32a2∫x′0E(x,x′)dx

其中x′为高分子链的末端所在位置,H为刷的高度,E(x,x′)=dxdn,并满足:
∫x′01E(x,x′)dx=N(3)

接枝链的末端的分布为g′(x′),g′(x′)dx′为x′处Adx′体积范围内接枝链末端的数目,满足

A∫H0g′(x′)dx′=nP

其中A为接枝表面的总面积,nP为接枝链的总数目。

平均一条链的熵弹性能为:

ΔFel=AnP∫H0ΔFel(x′)g′(x′)dx′=32a2∫H0g(x′)dx′∫x′0E(x,x′)dx(4)

其中,g(x′)=AnPg′(x′),为x′处dx′厚度范围内接枝链末端的数目,满足∫H0g(x′)dx′=1。

高分子体积分数φ(x)满足:

φ(x)=a3σ∫H0dndxg(x′)dx′=a3σ∫H0g(x′)E(x,x′)dx′(5)

σ∫H0φ(x)dx=Na3(6)

要得到刷的结构,需要对如下泛函求变分:

F′=ΔF+λ1∫H0φ(x)dx+∫H0λ2(x′)dx′∫x′01E(x,x′)dx(7)

其中λ1和λ2(x′)分别为拉格朗日乘子。

对F′变分有:

δF′==δΔFel+δΔFconc+λ1∫H0δφ(x)dx−∫H0λ2(x′)dx′∫x′0δE(x,x′)E2(x,x′)dx32a2∫H0dx′∫x′0[g(x′)δE(x,x′)+E(x,x′)δg(x′)]dx+σa3∫δf[φ(x)]δφ(x)δφ(x)dx+λ1∫H0δφ(x)dx−∫H0λ2(x′)dx′∫x′0δE(x,x′)E2(x,x′)dx(8)

根据方程(5),有:

δφ(x)=a3σ∫H0[δg(x′)E(x,x′)−g(x′)E2(x,x′)δE(x,x′)]dx′(9)

将方程(9)带入方程(8),得

δF′=∫H0dx′∫x′0dxδE(x,x′)[3g(x′)2a2−λ2(x′)E2(x,x′)−(λ1+δf[φ(x)]δφ(x))g(x′)E2(x,x′)]∫H0δg(x′)dx′∫x′0dx[3E(x,x′)2a2+1E(x,x′)(λ1+δf[φ(x)]δφ(x))](10)

相应地我们可得如下两个变分方程:

3g(x′)2a2−λ2(x′)E2(x,x′)−(λ1+δf[φ(x)]δφ(x))g(x′)E2(x,x′)=0(11)

3E(x,x′)2a2+1E(x,x′)(λ1+δf[φ(x)]δφ(x))=0(12)

由方程(11),

E2(x,x′)=U1(x′)−U2(x)(13)

其中,

U1(x′)=2a2λ2(x′)3g(x′)(14)

U2(x)=−2a23(λ1+δf[φ(x)]δφ(x))(15)

链的末端不受拉伸,则E(x,x)=0,于是 U1=U2,我们有

E(x,x′)=U(x′)−U(x)−−−−−−−−−−√(16)

U(x)仍是未知函数,将方程(16)代入方程(3),得

U(x)=π2x24N2(17)

将方程(17)代入方程(16)得

E(x,x′)=π2Nx′2−x2−−−−−−√(18)

将方程(17)代入方程(15)得

λ1+δf[φ(x)]δφ(x)=−3π2x28N2(19)

将方程(17)代入方程(6),得如下积分方程:

φ(x)=2Na3πσ∫x′0g(x′)x′2−x2−−−−−−√dx(20)

从方程(19)到高分子体积分数φ(x),解积分方程(20)就可得高分子链末端的分布。积分方程的解可从积分方程手册中查到,在pp21。

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