【正文】 結(jié)合上面研究結(jié)果和研究內(nèi)容 (1)中獲得的聚合或降解反應分子動力學方程和反應機理，模擬復雜化學和物理條件下，聚合物流體的流動過程和流動行為。 (3) 耦合化學反應的聚合物流體流動行為的計算機模擬與仿真（與 04和 05課題合作） ? 在流體力學和聚合或降解反應分子動力學理論的基礎上，把化學反應（均聚、共聚、交聯(lián)以及降解反應等）用數(shù)學和物理的語言進行表述，建立耦合化學反應的流體力學理論模型和相應的本構(gòu)關(guān)系。 ? 發(fā)現(xiàn)化學反應類型（均聚、接枝和嵌段共聚、交聯(lián)以及降解等）和復雜外場條件（溫度、壓力、剪切和粘度等）對聚合物反應加工過程中，形態(tài)形成的影響規(guī)律，建立調(diào)控介觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的科學方法。 ? 在上面研究的基礎上，結(jié)合研究內(nèi)容 (1)中獲得的聚合或降解反應動力學方程和反應機理，模擬復雜外場情況下，多相聚合物體系的形態(tài)生成與演變過程。 (2) 伴隨化學反應的多相聚合物體系形態(tài)生成與演變的計算機模擬（與 04 課題合作） ? 在相關(guān)文獻方法的基礎上，建立伴隨聚合（均聚、接枝和嵌段共聚反應）和降解反應的含時 GinzburgLandau 方程理論模型。 ? 總結(jié)反應加工過程中，聚合與降解反應動力學和反應機理的規(guī)律性，并與進一步的反應動力學實驗數(shù)據(jù)比較，完善復雜外場條件下，均聚、共聚（接枝和嵌段）和降解反應數(shù)理模型、分子動力學理論與 反應機理。 ? 在數(shù)理模型基礎上，發(fā)展分子動力學和 Monte Carlo 模擬方法，模擬反應加工中聚合（均聚和共聚反應）與降解反應動力學過程、分子水平的形態(tài)變化過程以及分子鏈的構(gòu)象和分子量分布，闡述反應機理。 4) 揭示反應加工制備的聚合物材料的本構(gòu)關(guān)系，模擬其拉伸與吹塑成型過程，確立應力、應變、應變率和應變硬化的分布，達到優(yōu)化拉伸與吹塑成型條件及控制材料性能的目的。 2) 模擬伴隨化學反應（均聚、共聚和降解反應）的多相聚合物體系形態(tài)生成與演變過程，闡述反應加工過程中，形態(tài)生成的動力學機理，實現(xiàn)反應加工過程介觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)控，進而達到控制材料性能的目的。 參考文獻： 1. J. Zhou and J. Sheng, “Small Angle Light Backscattering of Polymer Blends: 1. Multiple Scattering”, Polymer, 38, 3727(1997). 2. 楊玉良，“ 多組份高分子體系中的圖樣形成、演化與選擇 ”，《 高分子科學的近代論題 》，復旦大學出版社， 1998。 綜上所述，本申請項目將借助 Monte Carlo與分子動力學方法、含時 GinzburgLandau方程、流體力學和固體力學本構(gòu)方程以及數(shù)值分析方法，從微觀、介觀和宏觀三個層面，系統(tǒng)地模擬聚合物反應加工中，聚合和降解反應動力學、伴隨化學 反應的形態(tài)生成與演變、耦合化學反應的流體流動行為、以及拉伸與吹塑成型過程，認識復雜物理條件下均聚與共聚反應機理的特殊性，闡明伴隨（耦合）化學反應的微觀與介觀形態(tài)形成與流體流動規(guī)律，建立拉伸與吹塑成型的計算機仿真軟件系統(tǒng)。據(jù)我們了解的情況，目前開發(fā)的商品化計算機輔助成型軟件，很少考慮大應變率和應變硬化對本構(gòu)關(guān)系的影響，且相關(guān)文獻報導也并不多見 [11, 12]。這些分子鏈和相態(tài)結(jié)構(gòu)的多樣性和復雜性，導致其在粘流態(tài)和高彈態(tài)的相關(guān)行為具有自己的特點，最終致使本構(gòu)關(guān)系發(fā)生變化。這也正是本申請項目的第三個主要研究內(nèi)容。由于化學反應的發(fā)生（特別是聚合反應和降解反應），將可能導致瞬間體系粘度發(fā)生巨變，進而很大程度改變流體的流動行為，最終對材料性能造成很大影響。國內(nèi)外相繼開發(fā)了一些非常有實 用價值的軟件。由于實驗手段的限制，很難準確現(xiàn)場跟蹤反應加工過程的形態(tài)演變與生成過程，因此，本部分研究的意義還在于它將彌補實驗手段在研究反應加工形態(tài)結(jié)構(gòu)演變方面的不足。我們知道，復雜外場下，聚合和降解反應對多相聚合物體系形態(tài)生成和演變的影響，正是聚合物反應加工所特 定的條件，所以，也正是本申請項目的第二個研究內(nèi)容。二十世紀九十年代中期， Muthukumar 等 [8]首次將化學反應的影響引入到 相分離的形態(tài)生成和演變過程中，之后，復旦大學楊玉良教授研究組開展了一系列較深入的研究工作，并取得了一些非常有價值的成果 [9, 10]。 借助自洽場方法與含時 GinzburgLandau 方程研究相分離過程中，多相聚合物體系的形態(tài)生成過程是目前高分子物理學研究的熱點之一，國內(nèi)外許多學者在該領域的研究 興趣，導致了一些開創(chuàng)性研究工作的產(chǎn)生 [25]。 在通常條件下（如：溶液和本體中的自由基、陰（陽）離子引發(fā)聚合反應等），對聚合反應動力學和反應機理的研究，人們已經(jīng)有了很深入的認識，并且可以借助聚合反應動力學和反應機理方面的知識，控制聚合反應過程，為聚合物材料合成工業(yè)提供明確的理論指導。 隨著計算機科學與技術(shù)的飛速發(fā)展，人們自然而然就想到是否可以通過有限有價值的在線檢測實驗數(shù)據(jù)，建立適當?shù)臄?shù)理模型與方程，并把化學反應過程用恰當?shù)臄?shù)學與物理語言在模型中表述，從而借助數(shù)值模擬的方法在計算機上實現(xiàn)復雜化 學與物理條件下，反應加工過程中化學反應（聚合反應和降解）動力學與機理、（伴隨化學反應）形態(tài)生成與演變、（耦合化學反應）復雜流體的流動以及后加工與成型過程的計算機模擬與仿真。在此過程中，化學反應、伴隨化學反應的形態(tài)生成和流體流動等過程基本上是在封閉狀態(tài)下進行的；且體系通常處于高溫、高壓和高剪切條件下，并伴隨粘度在瞬間內(nèi)可能發(fā)生突變等，因此，給現(xiàn)場、實時研究 體系的化學反應動力學與反應機理、伴隨化學反應發(fā)生的形態(tài)生成動力學過程以及流體流動行為帶來了不可逾越的困難。 中文 聚 合 物 反 應 加 工 計 算 機 模 擬 與 仿 真 英文 Polymer / Reactive Processing / Computer Simulation and Emulation 二、立論依據(jù) （包括項目的研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，并附主要參考文獻及出處） 對基礎研究，著重結(jié)合國際科學發(fā)展趨勢，論述項目的科學意義； 對應用基礎研究 ， 著重結(jié)合學科前沿、圍繞國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中的重要科技問題 ， 論述其應用情景。 實 現(xiàn) 反 應 加 工 過 程 從 微 觀 機 理 到 介 觀 結(jié) 構(gòu) 到 宏 觀 性 能 的 優(yōu) 化 與 控 制 。 項目類別 申報學科代碼 1 科學部編號 E E03 國家自然科學基金 申 請 書 項目名稱： 聚合物反應加工過程的計算機模擬與仿真 申 請 者： 王秀忠 所在單位： 山東大學 郵政編碼： 250061 通訊地址： 山東省濟南市經(jīng)十路 73 號 電 話： 053188399516 傳 真： 053188399516 申請日期： 20xx 年 7 月 15 日 國 家 自 然 科 學 基 金 委 員 會 一九九七年制 重大項目 項目名稱： 聚合物材料 加工過程的 數(shù)值模擬 研究 研 究 內(nèi) 容 和 意 義 摘 要 借 助 MC 方 法 、 含 時 GL 方 程 、 本 構(gòu) 方 程 及 數(shù) 值 分 析 方 法 ， 模 擬 反 應 加 工 中 分 子 反 應 動 力 學 、 伴 隨 反 應 的 形 態(tài) 生 成 、 耦 合 反 應 的 流 體 流 動 及 拉 伸 與 吹 塑 成 型 等 過 程 。 在 高 溫 、 高 壓 、 高 剪 切 與 高 粘 度 下 ， 確 立 聚 合 與 降 解 反 應 機 理 ， 建 立 耦 合 反 應 的 形 態(tài) 生 成 與 流 體 流 動 模 型 ， 研 制 成 型 加 工 過 程 仿 真 軟 件 。 主題詞 1. 主題詞數(shù)量不多于三個； 2. 主題詞之間空一格（英文用 /分隔）。 眾所周知，聚合物反應加工是在擠出型反應器中進行的。目前，雖然一些研究者研制出在線檢測 裝置[1]，并在研究反應加工過程中化學反應動力學和形態(tài)結(jié)構(gòu)的生成與演變等方面取得了一些相當有科學意義的結(jié)果，但是，仍很難達到現(xiàn)場調(diào)控聚合物反應加工過程的目的。這正是本申請項目的主要研究目標與目的。但是，由于實驗上的困難，對于聚合物反應加工條件下（如：高溫、高壓 、高剪切、高粘度下發(fā)生的界面聚合、接枝或嵌段聚合以及降解反應），分子反應動力學和反應機理方面的報導并不多見，那么，在如此復雜的外部條件下，聚合（均聚和共聚等）和降解反應的分子動力學與反應機理是否仍然遵循通常條件下的規(guī)律？如果不是，情況又將怎樣？本申請的第一個研究內(nèi)容 —聚合物反應加工中反應機理與分子反應動力學的計算機模擬研究，就是要借助計算機模仿聚合物反應加工條件下，物理環(huán)境對化學反應（均聚、接枝或嵌段共聚以及降解反應等）動力學機理的影響，并與間接獲得的實驗數(shù)據(jù)進行比較，從而完善計算機模擬的數(shù)理模型，實現(xiàn)分子 水平上探討聚合物反應加工過程化學反應動力學和反應機理的目的，為反應加工過程中化學反應的控制及分子參數(shù)的優(yōu)化提供科學的依據(jù)。此后， Balazs 等 [6, 7]又將描述 Brown運動的 Langevin 方程引入，給出了聚合物 /納米粒子復合體系的形態(tài)生成過程的演變圖樣，為聚合物 /納米粒子復合材料的設計和 制備提供了一定的理論指導意義。但是，就從目前文獻來看，上述研究工作考慮的只是相對較簡單的化學反應，對于聚合反應（均聚或共聚等）和降解反應的影響或復雜外場條件下（剪切和壓力場等）伴隨化學反應的情況卻未見報導。通過對復雜外場下，伴隨聚合和降解反應發(fā)生的形態(tài)演變過程的模擬，探索反應加工過程中介觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律，從而為反應加工過程中結(jié)構(gòu)的控制提供理論依據(jù)。 在聚合物加工過程中，聚合物流體的流動行為將直接影響材料的性能和制件或制品的品質(zhì)，因此，該領域的研究一直引起學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視。但就我們所知，這些軟件沒有考慮耦合化學反應的發(fā)生對聚合物流體流動行為的影響。所以，借助計算機模擬探討伴隨化學反應（均聚、共聚或降解等）的聚合物流體流動過程，對控制聚合物反應加工過程和擠出型反應器的設計將有著非常重要的科學意義和現(xiàn)實應用價值。 如上所述，反應加工制備的聚合物材料通常具有多相多組分、分子鏈結(jié)構(gòu)復雜（如：接 枝與嵌段）或微交聯(lián)相等，甚至化學反應尚不完全。作為本申請 的第四個內(nèi)容，我們將集中研究反應加工制備的聚合物材料的拉伸和吹塑成型，這是因為聚合物材料的拉伸和吹塑成型是目前國際高分子加工領域的焦點與難點之一。在本項目中，我們將借助拉伸流變儀確立反應加工制備的聚合物材 料的真實應力應變關(guān)系和相應的本構(gòu)方程，運用數(shù)值分析方法，模擬拉伸和吹塑成型過程，闡明材料自身結(jié)構(gòu)和成型條件對制件或制品性能的影響，分析相應的應力、應變、應變率以及厚度的分布及其對成型條件的依賴關(guān)系，最終為 反應加工制備的聚合物材料 成型條件優(yōu)化和制品性能的控制提供理論基礎。為聚合物反應加工過程中，化學反應的控制、形態(tài)結(jié)構(gòu)生成的優(yōu)化、模具的設計和成型條件的選擇，提供先期的理論預測與科學依據(jù)。 3. F. Drolet and G. H. Fredrickson, “Combinatorial Screening of Block Copolymer Assembly with SelfConsistent Field Theory”, Phys. Rev. Lett., 83, 4317(1999). 4. Y. BohbotRaviv and . Wang, “Discovering new ordered phases of block copolymers”, Phys. Rev. Lett., 85, 3428(20xx). 5. Y. Q. Ma, “Domain Patterns in Ternary Mixtures with Different Interfacial Properties”, J. Chem. Phys., 114, 3734(20xx). 6. V. V. Ginzburg, F. Qiu, M. Paniconi, G. Peng, D. Jasnow, and A. C. Balazs, “Simulation of Hard Particles in a PhaseSeparating Binary Mixture”, Phys. Rev. Lett., 82, 4026,(1999). 7. G. Peng, F. Qiu, V. V. Ginzburg, D. Jasnow, and A. C. Balazs, “Forming Supramolecular Network from Nanoscale Rods in Binary, PhaseSeparating Mixtures”, Science, 288, 1802(20xx). 8. S. C. Glotzer, E. A. DiMarzio, and M. Muthukumar, “Reaction