PEG/增塑剂共混物相容性的分子动力学模拟和介观模拟
发布时间：2021-11-07 14:41
为解决含能钝感增塑剂应用于硝酸酯增塑聚醚（NEPE）推进剂的问题,研究了增塑剂三羟甲基乙烷三硝酸酯（TMETN）、硝化甘油（NG）、1,2,4-丁三醇三硝酸酯（BTTN）与粘合剂预聚物聚乙二醇（PEG）的相容性。采用分子动力学模拟计算了PEG、TMETN、NG、BTTN四种纯物质的溶度参数及分子内和分子间径向分布函数,得到相容性优劣顺序为:TMETN/PEG>BTTN/PEG>NG/PEG。BTTN分子中的亚甲基和TMETN的结构削弱了自身分子间作用、降低了与PEG溶度参数的差值;分析了共混物的结合能及分子间径向分布函数,认为增塑剂与PEG相容的本质为"分子间以非键作用相结合,范德华作用占主要比重"。此外,增塑剂与PEG分子的极性越相近、范德华作用的占比越大;通过介观模拟得到体系的介观形态演变过程,发现NG/PEG及BTTN/PEG易发生相分离、TMETN/PEG仅发生轻微的同相归并。最终得出:含能钝感增塑剂TMETN与PEG的相容性优于BTTN及NG,可以考虑将其代替或部分代替NG、降低NEPE推进剂的感度,为低易损战术武器的发展提供依据。
【文章来源】：含能材料. 2020,28(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
PEG、NG、BTTN、TMETN的分子结构式
式中，ν-1εij为MesoDyn相互作用参数kJ·mol-1；χij为Flory?Huggins参数（无量纲）；R为气体常数8.314 J·（mol·K)-1,T取298 K。在确定分子粗粒化珠子数量及相互作用参数后，在Meso Dyn模块中进行模拟：根据增塑剂与粘合剂预聚物的质量比（增塑比）为3∶1，设置珠子的混合比例，三维周期箱尺寸为32.0 nm×32.0 nm×32.0 nm，温度为298 K，步长为20 ns，总时间为1000μs，其它为默认。
根据高分子溶液理论[21]，恒温和恒压下的溶解过程自发进行的前提是：Gibbs自由能的变化小于零。两组分的溶度参数差值越小，越容易满足此条件、相容性越好，这就是物质的“相似相溶”原理，也可以通过几种物质的极性相近、分子间作用力类型和大小相近、各自的径向分布函数曲线相近，来评价相容性的优劣。采用分子动力学模拟计算得到PEG和增塑剂的溶度参数结果见表3，δ为本次结算结果，为了便于比较，同时将文献[22-23]的分子动力学计算结果δ′和δ"、文献[24]采用Hoftyzer?Krevelen(1976）方法的估算值δ′"均列于表3。由表3可见，本次模拟（δ）与文献模拟值（δ′）、（δ"）相近，但与估算值（δ′"）有一定差距，分析原因为所采用的计算方法不同，而本模拟是在相同力场和参数设置下进行的，所以可以考察溶度参数的相对值[4]；并且不同方法得到物质溶度参数的大小顺序是相同的，即通过计算Δδ判断共混物相容性优劣的结果是一致的，由表4可见，PEG与三种增塑剂的相容性优劣顺序为：TMETN/PEG>BTTN/PEG>NG/PEG。
【参考文献】：
期刊论文
[1]固体推进剂组分相容性的分子动力学模拟[J]. 王欢,孙治丹,张常山,居学海. 火炸药学报. 2016(05)
[2]含能材料相容性评定方法研究进展[J]. 杨钊飞,赵凤起,李鑫. 四川兵工学报. 2015(03)
[3]四组分高能体系结合能和力学性能的分子动力学模拟[J]. 于艳春,朱伟,肖继军,郭翔,唐根,郑剑,肖鹤鸣. 化学学报. 2010(12)
[4]RDX晶体结构与固相生成焓的理论研究[J]. 刘建,李金山,赵晓平,何铁宁,董海山. 原子与分子物理学报. 2010(03)
[5]HTPB/增塑剂玻璃化转变温度及力学性能的分子动力学模拟[J]. 付一政,胡双启,兰艳花,刘亚青. 化学学报. 2010(08)
[6]HTPB与增塑剂相容性评价的分子动力学模拟[J]. 兰艳花,刘亚青,付一政. 含能材料. 2010(01)
[7]端羟基聚丁二烯/增塑剂共混物相容性的分子动力学模拟和介观模拟[J]. 赵贵哲,冯益柏,付一政,兰艳花,刘亚青. 化学学报. 2009(19)
[8]端羟基聚丁二烯/增塑剂共混物相容性的分子动力学模拟[J]. 付一政,刘亚青,兰艳花. 物理化学学报. 2009(07)
[9]叠氮纤维素结构和溶度参数的分子模拟[J]. 黄锐,姚维尚,谭惠民. 含能材料. 2008(04)
[10]叠氮粘合剂与硝酸酯溶度参数的分子动力学模拟[J]. 李倩,姚维尚,谭惠民. 含能材料. 2007(04)
博士论文
[1]高能固体推进剂相关组分物理相容性的分子模拟研究[D]. 虞振飞.北京理工大学 2016
[2]HTPB推进剂贮存老化特性及寿命预估研究[D]. 张兴高.国防科学技术大学 2009
硕士论文
[1]含能增塑剂TMETN和DIANP的合成机理及动力学[D]. 聂战斌.陕西师范大学 2018
本文编号：3482036
【文章来源】：含能材料. 2020,28(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
PEG、NG、BTTN、TMETN的分子结构式
式中，ν-1εij为MesoDyn相互作用参数kJ·mol-1；χij为Flory?Huggins参数（无量纲）；R为气体常数8.314 J·（mol·K)-1,T取298 K。在确定分子粗粒化珠子数量及相互作用参数后，在Meso Dyn模块中进行模拟：根据增塑剂与粘合剂预聚物的质量比（增塑比）为3∶1，设置珠子的混合比例，三维周期箱尺寸为32.0 nm×32.0 nm×32.0 nm，温度为298 K，步长为20 ns，总时间为1000μs，其它为默认。
根据高分子溶液理论[21]，恒温和恒压下的溶解过程自发进行的前提是：Gibbs自由能的变化小于零。两组分的溶度参数差值越小，越容易满足此条件、相容性越好，这就是物质的“相似相溶”原理，也可以通过几种物质的极性相近、分子间作用力类型和大小相近、各自的径向分布函数曲线相近，来评价相容性的优劣。采用分子动力学模拟计算得到PEG和增塑剂的溶度参数结果见表3，δ为本次结算结果，为了便于比较，同时将文献[22-23]的分子动力学计算结果δ′和δ"、文献[24]采用Hoftyzer?Krevelen(1976）方法的估算值δ′"均列于表3。由表3可见，本次模拟（δ）与文献模拟值（δ′）、（δ"）相近，但与估算值（δ′"）有一定差距，分析原因为所采用的计算方法不同，而本模拟是在相同力场和参数设置下进行的，所以可以考察溶度参数的相对值[4]；并且不同方法得到物质溶度参数的大小顺序是相同的，即通过计算Δδ判断共混物相容性优劣的结果是一致的，由表4可见，PEG与三种增塑剂的相容性优劣顺序为：TMETN/PEG>BTTN/PEG>NG/PEG。
【参考文献】：
期刊论文
[1]固体推进剂组分相容性的分子动力学模拟[J]. 王欢,孙治丹,张常山,居学海. 火炸药学报. 2016(05)
[2]含能材料相容性评定方法研究进展[J]. 杨钊飞,赵凤起,李鑫. 四川兵工学报. 2015(03)
[3]四组分高能体系结合能和力学性能的分子动力学模拟[J]. 于艳春,朱伟,肖继军,郭翔,唐根,郑剑,肖鹤鸣. 化学学报. 2010(12)
[4]RDX晶体结构与固相生成焓的理论研究[J]. 刘建,李金山,赵晓平,何铁宁,董海山. 原子与分子物理学报. 2010(03)
[5]HTPB/增塑剂玻璃化转变温度及力学性能的分子动力学模拟[J]. 付一政,胡双启,兰艳花,刘亚青. 化学学报. 2010(08)
[6]HTPB与增塑剂相容性评价的分子动力学模拟[J]. 兰艳花,刘亚青,付一政. 含能材料. 2010(01)
[7]端羟基聚丁二烯/增塑剂共混物相容性的分子动力学模拟和介观模拟[J]. 赵贵哲,冯益柏,付一政,兰艳花,刘亚青. 化学学报. 2009(19)
[8]端羟基聚丁二烯/增塑剂共混物相容性的分子动力学模拟[J]. 付一政,刘亚青,兰艳花. 物理化学学报. 2009(07)
[9]叠氮纤维素结构和溶度参数的分子模拟[J]. 黄锐,姚维尚,谭惠民. 含能材料. 2008(04)
[10]叠氮粘合剂与硝酸酯溶度参数的分子动力学模拟[J]. 李倩,姚维尚,谭惠民. 含能材料. 2007(04)
博士论文
[1]高能固体推进剂相关组分物理相容性的分子模拟研究[D]. 虞振飞.北京理工大学 2016
[2]HTPB推进剂贮存老化特性及寿命预估研究[D]. 张兴高.国防科学技术大学 2009
硕士论文
[1]含能增塑剂TMETN和DIANP的合成机理及动力学[D]. 聂战斌.陕西师范大学 2018
本文编号：3482036
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