混合溶剂中的高分子凝胶
note
参考资料:THE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 137, 024902 (2012)
高分子凝胶的自由能F有两项,混合项Fmix和弹性项Fel:
F=Fmix+Fel(1)
两种混合溶剂中的高分子凝胶,混合自由能为
Fmix=kBTv0[Vgf(ϕ1g,ϕ2g,ϕ3)+Vsf(ϕ1s,ϕ2s,0)](2)
其中,Vg 和 Vs 分别为凝胶和凝胶外部溶液的体积,v0为单体和溶剂分子的体积,f(ϕ1,ϕ2,ϕ3)为Flory-Huggins混合自由能:
f(ϕ1,ϕ2,ϕ3)=ϕ1lnϕ1+ϕ2lnϕ2+∑i<jχijϕiϕj(3)
其中,ϕ1和ϕ2分别为溶剂分子的体积分数,下标ϕig和ϕis分别表示第i(i=1,2)种组分凝胶内外的体积分数,ϕ3表示高分子网络的体积分数,χij为i和j两种组分的相互作用参数。
高分子网络的熵弹性能为
Fel=12kBTνVg0[3(ϕ30ϕ3)2/3−2Bln(ϕ30ϕ3)](4)
其中,Vg0 为处于参考态的凝胶的体积,ν 为交联点密度,B 为非线性弹性系数,ϕ30 为处于参考态的凝胶的体积分数。
凝胶内外满足不可压缩性条件:
ϕ1g+ϕ2g+ϕ3=1(5)
ϕ1s+ϕ2s=1(6)
可定义如下巨势:
Ω=Fmix+Fel−μ2(Vgϕ2g+Vsϕ2s)+κ(Vg+Vs)(7)
其中,μ2和κ 分别为保证第二种组分和总体积不变的拉格朗日乘子。对巨势求极小可得平衡态:
∂Ω∂ϕ2g=∂Ω∂ϕ2s=0(8)
∂Ω∂Vg=∂Ω∂Vs=0(9)
由
∂Ω∂ϕ2g=∂Fmix∂ϕ2g−μ2Vg=kBTv0Vg∂f∂ϕ2g−μ2Vg=0
于是得
μ~(ϕ2g,ϕ3)=∂f∂ϕ2g=v0μ2kBT
同理,由∂Ω∂ϕ2s=0可得
μ~(ϕ2s,0)=∂f∂ϕ2s=v0μ2kBT
由方程(5)和(6),可将(3)化为:
f(ϕ2,ϕ3)=(1−ϕ2−ϕ3)ln(1−ϕ2−ϕ3)+ϕ2lnϕ2+χ12(1−ϕ2−ϕ3)ϕ2+χ13(1−ϕ2−ϕ3)ϕ3+χ23ϕ2ϕ3
于是得
μ~(ϕ2,ϕ3)=lnϕ21−ϕ2−ϕ3+χ12(1−2ϕ2−ϕ3)+(χ23−χ13)ϕ3(10)
下面再看方程(9),
∂Ω∂Vg=∂Fmix∂Vg+∂Fel∂Vg+κ=0(11)
方程(11)中第一项
∂Fmix∂Vg=kBTv0[f(ϕ2g,ϕ3)+Vg∂f(ϕ2g,ϕ3)∂Vg](12)
其中,
Vg∂f(ϕ2g,ϕ3)∂Vg==−ϕ2g∂f(ϕ2g,ϕ3)∂ϕ2g−ϕ3∂f(ϕ2g,ϕ3)∂ϕ3−(ϕ2g+ϕ3)ln(1−ϕ2g−ϕ3)−ϕ2glnϕ2g−χ12(1−ϕ2g−ϕ3)ϕ2g+χ12ϕ22g+χ13ϕ2gϕ3−χ23ϕ2gϕ3+ϕ3+χ12ϕ2gϕ3+χ13ϕ23−χ13(1−ϕ2g−ϕ3)ϕ3−χ23ϕ2ϕ3
代入方程(12),得
∂Fmix∂Vg(kBTv0)−1=ln(1−ϕ2−ϕ3)+ϕ3+χ12ϕ22g+χ13ϕ23−(χ23−χ12−χ13)ϕ2gϕ3(13)
方程(11)中第二项
∂Fel∂Vg===∂Fel∂ϕ3∂ϕ3∂Vg=−ϕ3Vg∂Fel∂ϕ3−kBTνϕ3Vg0Vg[−(ϕ30ϕ3)2/31ϕ3+Bϕ3]kBTν[(ϕ3ϕ30)1/3−Bϕ3ϕ30](14)
方程(9)中第二个偏导的结果为
∂Ω∂Vs=∂Fmix∂Vs+κ=0(15)
其中
∂Fmix∂Vs==kBTv0[f(ϕ2s,0)+Vs∂f(ϕ2s,0)∂Vs]kBTv0[ln(1−ϕ2s)+χ12ϕ22s](16)
综上,凝胶平衡态结构由如下方程给出:
lnϕ2g1−ϕ2g−ϕ3+χ12(1−2ϕ2g−ϕ3)+(χ23−χ13)ϕ3=lnϕ2s1−ϕ2s+χ12(1−2ϕ2s)(17)
ln(1−ϕ2s)−ln(1−ϕ2g−ϕ3)−ϕ3−χ12(ϕ22s−ϕ22g)−χ13ϕ23+(χ23−χ12−χ13)ϕ2gϕ3−νv0[(ϕ3ϕ30)1/3−Bϕ3ϕ30]=0(18)