纤维素/聚醚砜共混物激光烧结弹性性能的分子动力学模拟
发布时间：2021-01-08 19:01
为提高选择性激光烧结（SLS）木塑复合粉末的成形件的力学强度,设计出可用于该项技术木塑复合粉末的新配方,制备了纤维素/聚醚砜（PES）和纤维素/聚丙烯（PP）2种木塑复合粉末。利用分子力学和分子动力学模拟方法对纤维素/PES和纤维素/PP共混物进行共混计算,求得了纤维素分别与PES、PP的结合能分布曲线。通过建立不同质量比的纤维素/PES共混物分子模型,计算其Flory-Huggins相互作用参数和静态弹性性能,得到了纤维素含量对共混物弹性性能的影响;为验证模拟结果进行了纤维素/PES和纤维素/PP共混物的激光烧结实验。结果表明:相比较纤维素/PP复合粉末,纤维素与PES相容性更好,适用于选择性激光烧结技术;当纤维素加入质量分数为20%25%时,材料的相容性达到最佳状态;所构建的纤维素/PES共混物模型可用于预测成形材料的弹性性能。
【文章来源】：复合材料学报. 2016,33(03)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图２选择性激光烧结纤维素／ＰＥＳ和纤维素／ＰＰ的原型件Ｆｉｇ．２Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｏｆｃｅｌｌｕｌｏｓｅ／ＰＥＳａｎｄｃｅｌｌｕｌｏｓｅ／ＰＰ
纤维素与２种热塑性树脂均不相容。对比图３（ａ）与图３（ｂ）得到，纤维素与ＰＰ共混时，二者的能量分布值相差较大，共混结合能数据值在２２５００ｋｃａｌ／ｍｏｌ左右，而纤维素与ＰＥＳ共混结合能在８０００ｋｃａｌ／ｍｏｌ左右，表明了纤维素与ＰＥＳ的相容时能量分布相近、相容性更好。图４为纤维素／ＰＥＳ（２５∶７５）烧结件的表面和断面微观形貌的扫描电镜照片。可以看出，ＰＥＳ树脂融化成液相，在纤维素表面浸润并发生不规则渗透，起到黏结传递应力作用，而纤维素基本上保持为固态，两相存在不相容性。激光传热为瞬态过程，粉末颗粒没有完全融化，两相无法形成致密组织，出现了明显的空洞结构。此外，１．３节的烧结实验表明，ＰＰ无法对纤维素浸润，液相ＰＰ数量未达到填满固相纤维素颗粒间间隙形成界面机械互锁结构，层与层之间更是无法黏结（见图２）。这里一部分原因是纤维素与ＰＰ的相容性较差，还可能与ＰＰ树脂粒径过大及热性能较差有关，因此纤维素／ＰＰ应用于ＳＬＳ实验仍需进一步的研究。综合模拟与实验结果可知，相比于ＰＰ，ＰＥＳ与纤维素界面相容性更好，纤维素／ＰＥＳ共混物适用于ＳＬＳ技术。图４纤维素／ＰＥＳ（２５∶７５）烧结件的表面和断面微观形貌Ｆｉｇ．４Ｓｕｒｆａｃｅａｎｄｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｍｉｃｒｏ－ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｃｅｌｌｕｌｏｓｅ／ＰＥＳ（２５∶７５）ｓｉｎｔｅｒｅｄｐａｒｔ３．３纤维素／ＰＥＳ共混物配比的优化Ｆｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓ相互作用参数（）可以表征高分子共混相容性好坏［２０］，共混物
Ｂ－Ｅｃｏｈ（）Ｖｍｉｘ（２）式中：Ｅｃｏｈ／Ｖ为各物质的内聚能密度，内聚能密度数值上等于分子间的非键作用力范德华力与静电力之和。根据Ｆｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓ理论，的临界值定义为Ｃ＝１２１槡ｎＡ＋１槡ｎ（）Ｂ２（３）式中：ｎＡ为纤维素分子链的聚合度；ｎＢ为ＰＥＳ分子链的聚合度。通过比较ＡＢ与Ｃ的大小可判断共混体系的混合性，当ＡＢ≤Ｃ时，表明共混物体系为相容体系，否则两者不相容［１６］。图５Ｆｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓ相互作用参数（）与质量分数的关系Ｆｉｇ．５ＲｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＦｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒ（）ａｎｄｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ分子动力学计算可得到不同质量比的纤维素／ＰＥＳ体系的ＡＢ及Ｃ。图５为Ｆｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓ相互作用参数（）与质量分数的关系。可以看出，ＡＢ整条曲线在Ｃ之上，表明纤维素与ＰＥＳ不相容性。随着纤维素的含量的提高，ＡＢ值呈现先减小后增大的走向，当纤维素质量分数达到２５％时，ＡＢ最接近Ｃ，在４０％以后，大幅度远离临界值。因此，纤维素与ＰＥＳ质量比在２５∶７５时，两者相容性最好，其他的比例下，相容性能有所下降。３．４纤维素含量对共混体弹性力学性能的影响材料的弹性行为服从胡克定律，即应力与应变呈线性关系，其比例系数为弹性模量，可以表征材料分子、原子之间键合强度。在复杂受力条件下，可用广义胡可定律描述应力应变关系。广义胡可定律定义为σｉ＝Ｃｉｊεｊｉ，ｊ＝１，
【参考文献】：
期刊论文
[1]水分对绝缘纸微观特性影响的分子模拟研究[J]. 王有元,田苗,罗明武,杨涛,袁文. 高电压技术. 2013(11)
[2]物理改性纤维素绝缘材料亲水性行为的分子动力学模拟[J]. 廖瑞金,聂仕军,周欣,朱孟兆,袁磊,杨丽君. 高电压技术. 2013(01)
[3]NC/NG共混体系的分子动力学模拟研究[J]. 齐晓飞,张晓宏,李吉祯,刘芳莉,宋振伟,张军平. 兵工学报. 2013(01)
[4]一位世界级3D打印技术专家的长沙实践[J]. 高原. 中国机电工业. 2012(11)
[5]PP/PA11共混物微、介观形态的分子模拟[J]. 付一政,廖黎琼,梁晓艳,杨潞霞,胡双启,刘亚青. 化工学报. 2012(06)
[6]选择性激光烧结木塑复合材料的制备工艺及成型机理[J]. 郭艳玲,姜凯译,于志祥,辛宗生,曾伟梁. 上海交通大学学报. 2011(09)
[7]选择性激光烧结用原材料研究进展[J]. 姜凯译,郭艳玲,刘祥. 材料开发与应用. 2010(05)
[8]石墨/树状大分子复合材料的分子动力学模拟[J]. 莫尊理,郭瑞斌,陈红,孙亚玲,李贺军. 复合材料学报. 2007(04)
[9]高分子材料模拟中的分子力学法和力场[J]. 王艺峰,程时远,王世敏,陈艳军. 高分子材料科学与工程. 2003(01)
[10]木/塑复合材料及其增强机理的研究[J]. 杨庆贤. 复合材料学报. 1992(04)
博士论文
[1]选择性激光烧结高分子材料及其制件性能研究[D]. 汪艳.华中科技大学 2005
硕士论文
[1]纤维素—二氧化硅纳米复合材料的分子动力学模拟研究[D]. 乔丽君.西北师范大学 2009
本文编号：2965129
【文章来源】：复合材料学报. 2016,33(03)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图２选择性激光烧结纤维素／ＰＥＳ和纤维素／ＰＰ的原型件Ｆｉｇ．２Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｏｆｃｅｌｌｕｌｏｓｅ／ＰＥＳａｎｄｃｅｌｌｕｌｏｓｅ／ＰＰ
纤维素与２种热塑性树脂均不相容。对比图３（ａ）与图３（ｂ）得到，纤维素与ＰＰ共混时，二者的能量分布值相差较大，共混结合能数据值在２２５００ｋｃａｌ／ｍｏｌ左右，而纤维素与ＰＥＳ共混结合能在８０００ｋｃａｌ／ｍｏｌ左右，表明了纤维素与ＰＥＳ的相容时能量分布相近、相容性更好。图４为纤维素／ＰＥＳ（２５∶７５）烧结件的表面和断面微观形貌的扫描电镜照片。可以看出，ＰＥＳ树脂融化成液相，在纤维素表面浸润并发生不规则渗透，起到黏结传递应力作用，而纤维素基本上保持为固态，两相存在不相容性。激光传热为瞬态过程，粉末颗粒没有完全融化，两相无法形成致密组织，出现了明显的空洞结构。此外，１．３节的烧结实验表明，ＰＰ无法对纤维素浸润，液相ＰＰ数量未达到填满固相纤维素颗粒间间隙形成界面机械互锁结构，层与层之间更是无法黏结（见图２）。这里一部分原因是纤维素与ＰＰ的相容性较差，还可能与ＰＰ树脂粒径过大及热性能较差有关，因此纤维素／ＰＰ应用于ＳＬＳ实验仍需进一步的研究。综合模拟与实验结果可知，相比于ＰＰ，ＰＥＳ与纤维素界面相容性更好，纤维素／ＰＥＳ共混物适用于ＳＬＳ技术。图４纤维素／ＰＥＳ（２５∶７５）烧结件的表面和断面微观形貌Ｆｉｇ．４Ｓｕｒｆａｃｅａｎｄｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｍｉｃｒｏ－ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｃｅｌｌｕｌｏｓｅ／ＰＥＳ（２５∶７５）ｓｉｎｔｅｒｅｄｐａｒｔ３．３纤维素／ＰＥＳ共混物配比的优化Ｆｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓ相互作用参数（）可以表征高分子共混相容性好坏［２０］，共混物
Ｂ－Ｅｃｏｈ（）Ｖｍｉｘ（２）式中：Ｅｃｏｈ／Ｖ为各物质的内聚能密度，内聚能密度数值上等于分子间的非键作用力范德华力与静电力之和。根据Ｆｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓ理论，的临界值定义为Ｃ＝１２１槡ｎＡ＋１槡ｎ（）Ｂ２（３）式中：ｎＡ为纤维素分子链的聚合度；ｎＢ为ＰＥＳ分子链的聚合度。通过比较ＡＢ与Ｃ的大小可判断共混体系的混合性，当ＡＢ≤Ｃ时，表明共混物体系为相容体系，否则两者不相容［１６］。图５Ｆｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓ相互作用参数（）与质量分数的关系Ｆｉｇ．５ＲｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＦｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒ（）ａｎｄｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ分子动力学计算可得到不同质量比的纤维素／ＰＥＳ体系的ＡＢ及Ｃ。图５为Ｆｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓ相互作用参数（）与质量分数的关系。可以看出，ＡＢ整条曲线在Ｃ之上，表明纤维素与ＰＥＳ不相容性。随着纤维素的含量的提高，ＡＢ值呈现先减小后增大的走向，当纤维素质量分数达到２５％时，ＡＢ最接近Ｃ，在４０％以后，大幅度远离临界值。因此，纤维素与ＰＥＳ质量比在２５∶７５时，两者相容性最好，其他的比例下，相容性能有所下降。３．４纤维素含量对共混体弹性力学性能的影响材料的弹性行为服从胡克定律，即应力与应变呈线性关系，其比例系数为弹性模量，可以表征材料分子、原子之间键合强度。在复杂受力条件下，可用广义胡可定律描述应力应变关系。广义胡可定律定义为σｉ＝Ｃｉｊεｊｉ，ｊ＝１，
【参考文献】：
期刊论文
[1]水分对绝缘纸微观特性影响的分子模拟研究[J]. 王有元,田苗,罗明武,杨涛,袁文. 高电压技术. 2013(11)
[2]物理改性纤维素绝缘材料亲水性行为的分子动力学模拟[J]. 廖瑞金,聂仕军,周欣,朱孟兆,袁磊,杨丽君. 高电压技术. 2013(01)
[3]NC/NG共混体系的分子动力学模拟研究[J]. 齐晓飞,张晓宏,李吉祯,刘芳莉,宋振伟,张军平. 兵工学报. 2013(01)
[4]一位世界级3D打印技术专家的长沙实践[J]. 高原. 中国机电工业. 2012(11)
[5]PP/PA11共混物微、介观形态的分子模拟[J]. 付一政,廖黎琼,梁晓艳,杨潞霞,胡双启,刘亚青. 化工学报. 2012(06)
[6]选择性激光烧结木塑复合材料的制备工艺及成型机理[J]. 郭艳玲,姜凯译,于志祥,辛宗生,曾伟梁. 上海交通大学学报. 2011(09)
[7]选择性激光烧结用原材料研究进展[J]. 姜凯译,郭艳玲,刘祥. 材料开发与应用. 2010(05)
[8]石墨/树状大分子复合材料的分子动力学模拟[J]. 莫尊理,郭瑞斌,陈红,孙亚玲,李贺军. 复合材料学报. 2007(04)
[9]高分子材料模拟中的分子力学法和力场[J]. 王艺峰,程时远,王世敏,陈艳军. 高分子材料科学与工程. 2003(01)
[10]木/塑复合材料及其增强机理的研究[J]. 杨庆贤. 复合材料学报. 1992(04)
博士论文
[1]选择性激光烧结高分子材料及其制件性能研究[D]. 汪艳.华中科技大学 2005
硕士论文
[1]纤维素—二氧化硅纳米复合材料的分子动力学模拟研究[D]. 乔丽君.西北师范大学 2009
本文编号：2965129
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