聚乙烯结晶及拉伸过程的分子动力学模拟

发布时间：2020-11-18 01:52

　　 高分子材料大多是由相对分子质量不同的同系物混合而成,因此分子量及分子量分布会成为影响其结构与性能的重要因素。目前已经有大量实验研究了聚合物结构对力学性能的影响,但这只能从宏观上做定性研究,不足以说明其分子链的微观演变过程。为研究高分子材料的微观机理,本文采用计算机模拟手段,运用分子动力学方法,探究不同分子量及分子量分布的混合多链聚乙烯的结构与其力学性能的关系。主要研究内容如下:首先研究了链长对聚乙烯结晶行为及拉伸行为的影响。研究对象为三个均由一种链长构成的聚乙烯多链体系,其链长分别为100、200、400,并建立相应体系的粗粒化模型。在对不同链长的聚乙烯多链体系进行结晶模拟过程中,发现分子链越短的体系,结晶速率越快,结晶度越高。接着分别对上述过程所得三种半晶体聚乙烯进行拉伸模拟,通过其拉伸过程中的结晶度、链缠结度以及链取向度随应变的变化,得到不同链长聚乙烯体系的分子链微观演变机理,发现链长越短的聚乙烯体系屈服应力越大,应变硬化阶段所需应力越小。接着研究两种链长以不同混合比构成的多链混合体系对聚乙烯结晶行为及拉伸行为的影响。研究对象为C20/C200、C50/C200、C100/C200的多链聚乙烯混合体系,每个体系又设置三种长短链混合比1:1、1:3、1:4,之后建立相应体系的粗粒化模型。对以上不同长短链聚乙烯混合体系进行结晶模拟,并对比均一链长聚乙烯体系结晶过程,发现混入短链可以促进结晶,且混入短链越短、越多,结晶度越高。然后分别对以上的半晶体聚乙烯进行拉伸模拟,通过分析能量、结晶度、链缠结度以及链取向度的变化曲线等揭示其分子链的微观演变机理,发现聚乙烯体系中混入短链越多且越短时,拉伸屈服应力越大,应变硬化应力越小。本文最后研究了不同分子量分布对聚乙烯结晶行为及拉伸行为的影响。研究对象为三种链长以不同分散度构成的两个多链混合聚乙烯体系,其链长组成分别为50/200/350,150/200/250,两体系的分散度分别为1.225和1.0125,并建立相应体系的粗粒化模型。分别对以上不同分子量分布的多链混合聚乙烯体系进行结晶模拟,发现这两个聚乙烯体系的初始结晶速率几乎相同,但是在温度较低时,分散度高的体系结晶速率较大,生成半晶体的结晶度更高。分别对以上两种体系的半晶体聚乙烯进行拉伸模拟,通过分析其能量、结晶度、链缠结度以及链取向度的变化曲线得到其分子链的微观演变机理,发现分散度高的体系屈服应力更大,应变硬化阶段所需应力也更高。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ325.12
【部分图文】：

图 1-1 多尺度半晶态聚合物结构[5]Fig.1-1 Multi-scale semi-crystalline polymer structure[5]步拟合半晶体的真实结构，科研工作者们在大量的模拟工，其中被人们熟知的是由 Bryant 提出的缨状微束模型[6]、及由 Flory 提出的插线板模型。缨状微束模型（如图 1-2 分子链结构，即晶区与非晶区，它们相互穿插，随机分布链呈规则有序排列，且折叠链间相互平行，但构成的晶区

图 1-2 缨状微束模型[6]Fig.1-2 Braided microbeam model[6]链在晶片中不规则非近邻进入示意图 （b）插线板图 1-3 插线板模型[8]Fig.1-3 Patch panel model[8]学性能的研究动态晶态聚乙烯结构及其力学性能，大量研究者们通过各种各括差示扫描量热法(DSC)[9]、测比重术[10]、拉曼光谱学[11]子核磁共振[13]、小角 X 射线散射[14][16]和电镜扫描[17]等方

（a）分子链在晶片中不规则非近邻进入示意图 （b）插线板模型图 1-3 插线板模型[8]Fig.1-3 Patch panel model[8]1.4 聚乙烯力学性能的研究动态为了解半晶态聚乙烯结构及其力学性能，大量研究者们通过各种各样的方法进行了实验，其中包括差示扫描量热法(DSC)[9]、测比重术[10]、拉曼光谱学[11]、固态碳原子核磁共振[12]、质子核磁共振[13]、小角 X 射线散射[14][16]和电镜扫描[17]等方法。Erming[14通过同步加速器小角 X 射线散射（SAXS）和广角 X 射线衍射（WAXD）研究了高密度聚乙烯（HDPE）在电子辐射前后单轴拉伸变形过程中的结构演变。原始和辐射后的HDPE 都表现出三个不同阶段的变形行为，分别对应于弹性变形、屈服、应变软化、平台期及应变硬化。在第二阶段发现有晶区链破坏，第三阶段会因应变诱导而重结晶。Jiang[15]使用 SAXS 技术研究了不同退火温度所得的高密度聚乙烯单轴拉伸变形时的结
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本文编号：2888194