聚合物双分散性对聚合物纳米复合材料中有效粒子-粒子相互作用的影响

我们研究了在聚苯乙烯熔体中，聚合物链的双分散性对二氧化硅纳米粒子（NPs）之间局域结构及平均力势（PMF）的作用。我们采用杂化粒子-场分子动力学技术，该技术可高效弛豫即便具有高相对分子质量的聚合物纳米复合材料。所研究的 NPs 或为裸粒子，或接枝有聚苯乙烯链并浸没于自由聚苯乙烯链熔体中，而接枝与自由聚苯乙烯链均为单分散或双分散。两体 PMF 表明，自由聚合物链的双分散分布增强了未接枝 NP 对之间的吸引强度。若 NPs 接枝有聚合物链，则有效相互作用关键取决于聚合物链的双分散性与接枝密度：在低接枝密度下，自由链与接枝链的双分散性均增强 NPs 间的排斥；而在高接枝密度下，我们观察到两种不同的效应——自由链双分散性的增加引起 NPs 间排斥上升，而接枝链双分散性的增加促使吸引上升。此外，相较于更简单的两体 PMF 计算，对多体相互作用的恰当处理在单峰与双峰情形下均有所改善。我们发现，通过适当调节自由链与接枝链的双分散性，可控制复合材料的结构，这可由实验观测证实。结果表明，杂化粒子-场方法被确认为一种有效工具，可在广泛条件下复现并预测决定复合材料微观结构稳定性的微观相互作用。