DIANP对NC溶塑作用的实验与模拟
发布时间：2019-11-10 10:58
【摘要】：用动态流变实验和扫描电子显微镜观察对比研究了1,5-二叠氮-3-硝基氮杂戊烷(DIANP)和硝化甘油(NG)溶塑硝化纤维素(NC)的速率和效果,用分子动力学模拟方法对DIANP、NG、NC的溶度参数和DIANP、NG在NC中的扩散系数进行了模拟计算,采用介观动力学模拟方法得到了NC/DIANP和NC/NG共混体系的介观形貌。结果表明,与NG相比,DIANP溶塑NC速率较快,二者在NC中的扩散系数分别为1.39×10~(-10)m~2·s~(-1)和2.24×10~(-10)m~2·s~(-1)。相对于NG,DIANP溶塑效果更好,两种共混体系的显微形貌特征与介观动力学模拟结果具有很高的一致性。溶度参数计算结果表明,DIANP的分子间作用力大小与NC较为相似,而NG溶度参数的范德华力和静电力分量所占的比例与NC接近。
【图文】：
齐晓飞，严启龙，刘萌，胡米2．2模拟2．2．1分子动力学模拟采用MaterialsStudio(MS)软件［8］建立NC、增塑剂纯物质和等质量比的NC/DIANP和NC/NG共混体系模型，模型中NC分子链、DIANP和NG分子的数目分别为2条(NC分子链分别标记为NC-A和NC-B，每条分子链由20个聚合单元组成)、102个和90个，其中NC/DIANP共混体系的模型如图1所示，其余略。图1NC/DIANP共混体系模型Fig．1ModelofNC/DIANPblendsystem在70℃(推进剂实际固化温度)和1．01×105Pa条件下，，分别对纯物质和共混体系模型进行分子动力学模拟，获取分子动力学轨迹并进行分析，得到均方位移、分子体积、溶度参数(δ)和单体摩尔体积(Vmon)等数据。分子动力学模拟的参数设定参见文献［9］。2．2．2介观动力学模拟利用MS软件的MesoDyn模块进行共混体系的介观动力学模拟前，需由分子动力学模拟计算纯物质的Vmon和δ等参数，此部分的计算方法参见文献［10］，具体的计算结果见3．2。将介观动力学模拟参数、NC与增塑剂的质量比1∶1和温度70℃等数据，输入MesoDyn模块进行步长为20ns，总步数为50000步，总时间为1000μs的介观动力学模拟，获得共混体系的介观形貌。介观动力学模拟的其他参数设定参见文献［11］。3结果与讨论3．1NC的溶塑速率从微观角度讲，NC的溶塑实质上是增塑剂分子扩散进入NC分子链之间，使其链段间距增加，链段迁移形成物理交联网络的结构转变过程［12］，而这一过程的快慢与增塑剂分子的扩散速率密切相关，并通过动态流变特征量予以反映［13］。因此，本研究通过动态流变实验测得DIANP和NG溶塑NC过程中G'的动态时间谱，同时通过分子动力学模拟得到两种共混体系微观模型中增塑剂分子的均方位移(MSD)，结果如图2所示。a．G'
坌蚊病＝楣鄱狯ρ?模拟的其他参数设定参见文献［11］。3结果与讨论3．1NC的溶塑速率从微观角度讲，NC的溶塑实质上是增塑剂分子扩散进入NC分子链之间，使其链段间距增加，链段迁移形成物理交联网络的结构转变过程［12］，而这一过程的快慢与增塑剂分子的扩散速率密切相关，并通过动态流变特征量予以反映［13］。因此，本研究通过动态流变实验测得DIANP和NG溶塑NC过程中G'的动态时间谱，同时通过分子动力学模拟得到两种共混体系微观模型中增塑剂分子的均方位移(MSD)，结果如图2所示。a．G'-tb．MSD-t图270℃下共混体系G'的动态时间谱和增塑剂的MSDFig．2CurvesofG'vstfortwoblendsystemsandMSDvstforplasticizerat70℃由图2a可知，由于增塑剂种类的不同，两种共混体系G'随时间的变化曲线存在很大差异。对于NC/DIANP共混体系而言，溶塑初始时DIANP分子即迅速扩散进入NC分子链之间，使其迅速溶胀完全并随之发生迁移，微观上形成物理交联网络，导致G'急剧增大;之后，随着物理交联网络的逐步完善，NC分子链相互碰撞的机会增加，其溶胀和迁移运动均受到抑制［12－13］，因而G'的变化速率逐渐减小，直至1500s后体系的结构特征趋于稳定，G'值基本趋近于105Pa左右。相比之下，NC/NG共混体系G'的变化曲线呈现倒“S”型，G'的变化速率在溶塑初期多出了一个逐渐增大的过程，这是由于NG分子的扩散速率相对较慢，扩散进入NC分子链之间并使其完全溶胀需要一定的时间，此时间段内NC分子链的迁移运动存在一个加速的过程，导致溶塑初期G'的变化速率相对较小;此外，体系中NC完全溶塑所需的时间由1500s大幅增加至35000s左右。根据上述实验结果可知，与NG相比，DIANP溶塑NC的速率较大，这一结果与其较强的扩散能力密切相?
本文编号：2558839
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齐晓飞，严启龙，刘萌，胡米2．2模拟2．2．1分子动力学模拟采用MaterialsStudio(MS)软件［8］建立NC、增塑剂纯物质和等质量比的NC/DIANP和NC/NG共混体系模型，模型中NC分子链、DIANP和NG分子的数目分别为2条(NC分子链分别标记为NC-A和NC-B，每条分子链由20个聚合单元组成)、102个和90个，其中NC/DIANP共混体系的模型如图1所示，其余略。图1NC/DIANP共混体系模型Fig．1ModelofNC/DIANPblendsystem在70℃(推进剂实际固化温度)和1．01×105Pa条件下，，分别对纯物质和共混体系模型进行分子动力学模拟，获取分子动力学轨迹并进行分析，得到均方位移、分子体积、溶度参数(δ)和单体摩尔体积(Vmon)等数据。分子动力学模拟的参数设定参见文献［9］。2．2．2介观动力学模拟利用MS软件的MesoDyn模块进行共混体系的介观动力学模拟前，需由分子动力学模拟计算纯物质的Vmon和δ等参数，此部分的计算方法参见文献［10］，具体的计算结果见3．2。将介观动力学模拟参数、NC与增塑剂的质量比1∶1和温度70℃等数据，输入MesoDyn模块进行步长为20ns，总步数为50000步，总时间为1000μs的介观动力学模拟，获得共混体系的介观形貌。介观动力学模拟的其他参数设定参见文献［11］。3结果与讨论3．1NC的溶塑速率从微观角度讲，NC的溶塑实质上是增塑剂分子扩散进入NC分子链之间，使其链段间距增加，链段迁移形成物理交联网络的结构转变过程［12］，而这一过程的快慢与增塑剂分子的扩散速率密切相关，并通过动态流变特征量予以反映［13］。因此，本研究通过动态流变实验测得DIANP和NG溶塑NC过程中G'的动态时间谱，同时通过分子动力学模拟得到两种共混体系微观模型中增塑剂分子的均方位移(MSD)，结果如图2所示。a．G'
坌蚊病＝楣鄱狯ρ?模拟的其他参数设定参见文献［11］。3结果与讨论3．1NC的溶塑速率从微观角度讲，NC的溶塑实质上是增塑剂分子扩散进入NC分子链之间，使其链段间距增加，链段迁移形成物理交联网络的结构转变过程［12］，而这一过程的快慢与增塑剂分子的扩散速率密切相关，并通过动态流变特征量予以反映［13］。因此，本研究通过动态流变实验测得DIANP和NG溶塑NC过程中G'的动态时间谱，同时通过分子动力学模拟得到两种共混体系微观模型中增塑剂分子的均方位移(MSD)，结果如图2所示。a．G'-tb．MSD-t图270℃下共混体系G'的动态时间谱和增塑剂的MSDFig．2CurvesofG'vstfortwoblendsystemsandMSDvstforplasticizerat70℃由图2a可知，由于增塑剂种类的不同，两种共混体系G'随时间的变化曲线存在很大差异。对于NC/DIANP共混体系而言，溶塑初始时DIANP分子即迅速扩散进入NC分子链之间，使其迅速溶胀完全并随之发生迁移，微观上形成物理交联网络，导致G'急剧增大;之后，随着物理交联网络的逐步完善，NC分子链相互碰撞的机会增加，其溶胀和迁移运动均受到抑制［12－13］，因而G'的变化速率逐渐减小，直至1500s后体系的结构特征趋于稳定，G'值基本趋近于105Pa左右。相比之下，NC/NG共混体系G'的变化曲线呈现倒“S”型，G'的变化速率在溶塑初期多出了一个逐渐增大的过程，这是由于NG分子的扩散速率相对较慢，扩散进入NC分子链之间并使其完全溶胀需要一定的时间，此时间段内NC分子链的迁移运动存在一个加速的过程，导致溶塑初期G'的变化速率相对较小;此外，体系中NC完全溶塑所需的时间由1500s大幅增加至35000s左右。根据上述实验结果可知，与NG相比，DIANP溶塑NC的速率较大，这一结果与其较强的扩散能力密切相?
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1 齐晓飞;王利刚;郭昕;闫宁;严启龙;张军平;;NC/PEG共混体系组分间的相互作用及其微观结构[J];含能材料;2014年03期
本文编号：2558839
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