聚合物/纳米颗粒接枝嵌段聚合物复合材料的计算机模拟研究
发布时间：2022-02-14 16:11
聚合物纳米复合材料是材料科学与工程领域的研究重点,不仅具有优于传统聚合物材料的力学性能,同时又能结合填充纳米颗粒自身的优良性能,如导热、导电和磁性等性能。要实现聚合物/纳米颗粒复合材料的综合优异性能,实现填料的理想分散是首先需要解决的问题。因此,如何建立其微观结构与宏观性能的关联则是实现性能可控的关键。在填料表面均匀的接枝两亲性嵌段聚合物可以实现可控的纳米颗粒分散和特定的自组装结构。由于存在填料之间的互相作用焓和接枝高分子链构像熵的共存与竞争关系,实验的表征手段与方法是很难进行精确表征与分析的。因此,计算机模拟技术在理解和预测聚合物纳米复合材料的性能增强方面发挥着越来越重要的作用。基于以上研究背景,本论文主要是通过粗粒度分子动力学模拟,围绕着自组装结构对于聚合物纳米复合材料分散性及力学性能影响的微观机理进行了初步探索。研究工作主要从以下两个方面展开:一、纳米颗粒接枝两亲性嵌段聚合物链对纳米颗粒（NP）分散性及力学性能影响的微观机理研究通过运用粗粒度分子动力学模拟,我们构建了一系列的纳米颗粒接枝两亲性嵌段聚合物,并将其共混在均聚物基体中。通过设置组分间的相互作用参数,使得接枝嵌段链一部分...
【文章来源】：北京化工大学北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图３－１纳米颗粒接枝两亲性的二嵌段聚合物模型建立过程
?北京化工大学硕士学位论文???１２０１???４Ｍ??１００?－?｜??‘Ｖ广０??Ｉ??Ｎｐｏ??８０?＊１?…刚麵?ＪＶ?？５０??｜?；｜??ｉＶ＊７０??Ｓ?６０?－?；?？??Ｉ?｜?—，??２０?－?：?＼?Ｉｆｌ?５．９０??４?５?６?７?８?９??ｒ／ａ??图３－３纳米颗粒之间的径向分布函数随接枝链的接枝密度Ｚ的变化??Ｆｉｇ．?３－３?Ｔｈｅ?ｒａｄｉａｌ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ?ｇ（ｒ）?ｏｆ?ｔｈｅ?ＮＰｓ?ａｔ?ｖａｒｉｏｕｓ?ｇｒａｆｔｉｎｇ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ｏｆ?ＰＮＣｓ??由图我们可以分析到，对于无接枝体系，即＼＝〇，纳米颗粒团聚在一起。对应??于径向分布函数中，因为纳米颗粒的直径为４〇？，在ｒ?＝?４．０５ｏ■处出现一个强度很高的??峰，对应着纳米颗粒之间的直接接触平衡距离。随着接枝密度的提高，即＼?＝３０到??＆?＝９０，不同接枝密度体系在径向分布函数中的第一个峰分别在距离为４．９５（７，??５．９（ｋｒ和６．７８ａ的位置。这一结果说明两点：１、通过在纳米颗粒表面接枝嵌段聚合物，??是有效改善纳米颗粒团聚的方法；２、对于接枝体系，通过提高接枝密度能够进一步提??高纳米颗粒的分散性。对于低接枝密度体系＝３０），尽管接枝链在空间中起到了隔??绝纳米颗粒之间相互联系的作用，但是由于接枝密度低，接枝链并没有很好的包裹纳??米颗粒，致使纳米颗粒的大部分表面暴露。根据熵效应，纳米颗粒还是有团聚的。但??是，在高接枝密度下＝９０），纳米颗粒的平均质心距离可以达到６．７８〇■，并且该峰??的强度相对较低，说明纳米颗粒趋近于均匀分散。随后，我们计算
ｈｔ?ａｘｉｓ?ｄｅｎｏｔｅｓ?ｔｈｅ?ｔｏｔａｌ?ＮＰ－ＮＰ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ，?（ｂ）?Ｔｈｅ??ａｘｉｓ?ｄｅｎｏｔｅｓ?ｔｈｅ?ａｖｅｒａｇｅ?ｎｕｍｂｅｒ?ｏｆ?ｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇ?ＮＰ?ｂｅａｄｓ?ａｒｏｕｎｄ?ｅａｃｈ?ＮＰ?ｗｉｔｈ?ｒｅｓｐｅｃｔ?ｔｏ?ｔｈｅ?ｇｒａｆｔｉｎｇ??ｄｅｎｓｉｔｙ．?Ｔｈｅ?ｈｏｒｉｚｏｎａｌ?ｏｒｄｉｎａｔｅ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ?ｔｈｅ?ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｆｒｏｍ?ｔｈｅ?ＮＰ?ａｔ?ｔｈｅ?ｃｅｎｔｅｒ．??在图３－４（ａ）的左侧ｙ轴中，我们展示了当接枝密度逐渐提高时，纳米颗粒周围相??同粒子的精确数目，可以看到对于无接枝体系，每个纳米颗粒周围平均有７个相同粒??子，说明纳米颗粒的团聚是很高的。当嵌段聚合物接枝到纳米颗粒表面后，可以看到??临近纳米粒子数也随之降低，这一结果也进一步证明之前的结论。在图３－４（ａ）的右侧??ｙ轴中，我们计算了填料之间总的范德华相互作用能。随着接枝密度提高，纳米颗粒??在空间中分散性提高，其之间的质心距离会逐渐增大，由之前的介绍，当粒子间距超??过截断半径后，粒子之间是没有非键相互作用的。由图我们可以看到，在高接枝密度??下纳米颗粒之间的总相互作用能量趋近于零。这一结果说明接枝链有效地提高了纳米??颗粒之间的距离，有效地阻断了纳米颗粒之间的联系。??通过接枝两亲性的嵌段聚合物链，可以有效地提高纳米颗粒的分散性，针对这一??结论，我们做了进一步地探宄了微观结构对于这一结论的支撑。我们通过随机地选取??体系中一个纳米颗粒及其所连接的接枝链，我们发现纳米颗粒及其接枝链形成了核壳??自组装结构，如图３－５所示。??■身．．?
【参考文献】：
期刊论文
[1]橡胶的纳米增强及纳米复合技术[J]. 张立群,吴友平,王益庆,王一中,张慧峰,余鼎声,贺建芸. 合成橡胶工业. 2000(02)
本文编号：3624869
【文章来源】：北京化工大学北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图３－１纳米颗粒接枝两亲性的二嵌段聚合物模型建立过程
?北京化工大学硕士学位论文???１２０１???４Ｍ??１００?－?｜??‘Ｖ广０??Ｉ??Ｎｐｏ??８０?＊１?…刚麵?ＪＶ?？５０??｜?；｜??ｉＶ＊７０??Ｓ?６０?－?；?？??Ｉ?｜?—，??２０?－?：?＼?Ｉｆｌ?５．９０??４?５?６?７?８?９??ｒ／ａ??图３－３纳米颗粒之间的径向分布函数随接枝链的接枝密度Ｚ的变化??Ｆｉｇ．?３－３?Ｔｈｅ?ｒａｄｉａｌ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｆｕｎｃｔｉｏｎ?ｇ（ｒ）?ｏｆ?ｔｈｅ?ＮＰｓ?ａｔ?ｖａｒｉｏｕｓ?ｇｒａｆｔｉｎｇ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ｏｆ?ＰＮＣｓ??由图我们可以分析到，对于无接枝体系，即＼＝〇，纳米颗粒团聚在一起。对应??于径向分布函数中，因为纳米颗粒的直径为４〇？，在ｒ?＝?４．０５ｏ■处出现一个强度很高的??峰，对应着纳米颗粒之间的直接接触平衡距离。随着接枝密度的提高，即＼?＝３０到??＆?＝９０，不同接枝密度体系在径向分布函数中的第一个峰分别在距离为４．９５（７，??５．９（ｋｒ和６．７８ａ的位置。这一结果说明两点：１、通过在纳米颗粒表面接枝嵌段聚合物，??是有效改善纳米颗粒团聚的方法；２、对于接枝体系，通过提高接枝密度能够进一步提??高纳米颗粒的分散性。对于低接枝密度体系＝３０），尽管接枝链在空间中起到了隔??绝纳米颗粒之间相互联系的作用，但是由于接枝密度低，接枝链并没有很好的包裹纳??米颗粒，致使纳米颗粒的大部分表面暴露。根据熵效应，纳米颗粒还是有团聚的。但??是，在高接枝密度下＝９０），纳米颗粒的平均质心距离可以达到６．７８〇■，并且该峰??的强度相对较低，说明纳米颗粒趋近于均匀分散。随后，我们计算
ｈｔ?ａｘｉｓ?ｄｅｎｏｔｅｓ?ｔｈｅ?ｔｏｔａｌ?ＮＰ－ＮＰ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ，?（ｂ）?Ｔｈｅ??ａｘｉｓ?ｄｅｎｏｔｅｓ?ｔｈｅ?ａｖｅｒａｇｅ?ｎｕｍｂｅｒ?ｏｆ?ｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇ?ＮＰ?ｂｅａｄｓ?ａｒｏｕｎｄ?ｅａｃｈ?ＮＰ?ｗｉｔｈ?ｒｅｓｐｅｃｔ?ｔｏ?ｔｈｅ?ｇｒａｆｔｉｎｇ??ｄｅｎｓｉｔｙ．?Ｔｈｅ?ｈｏｒｉｚｏｎａｌ?ｏｒｄｉｎａｔｅ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ?ｔｈｅ?ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｆｒｏｍ?ｔｈｅ?ＮＰ?ａｔ?ｔｈｅ?ｃｅｎｔｅｒ．??在图３－４（ａ）的左侧ｙ轴中，我们展示了当接枝密度逐渐提高时，纳米颗粒周围相??同粒子的精确数目，可以看到对于无接枝体系，每个纳米颗粒周围平均有７个相同粒??子，说明纳米颗粒的团聚是很高的。当嵌段聚合物接枝到纳米颗粒表面后，可以看到??临近纳米粒子数也随之降低，这一结果也进一步证明之前的结论。在图３－４（ａ）的右侧??ｙ轴中，我们计算了填料之间总的范德华相互作用能。随着接枝密度提高，纳米颗粒??在空间中分散性提高，其之间的质心距离会逐渐增大，由之前的介绍，当粒子间距超??过截断半径后，粒子之间是没有非键相互作用的。由图我们可以看到，在高接枝密度??下纳米颗粒之间的总相互作用能量趋近于零。这一结果说明接枝链有效地提高了纳米??颗粒之间的距离，有效地阻断了纳米颗粒之间的联系。??通过接枝两亲性的嵌段聚合物链，可以有效地提高纳米颗粒的分散性，针对这一??结论，我们做了进一步地探宄了微观结构对于这一结论的支撑。我们通过随机地选取??体系中一个纳米颗粒及其所连接的接枝链，我们发现纳米颗粒及其接枝链形成了核壳??自组装结构，如图３－５所示。??■身．．?
【参考文献】：
期刊论文
[1]橡胶的纳米增强及纳米复合技术[J]. 张立群,吴友平,王益庆,王一中,张慧峰,余鼎声,贺建芸. 合成橡胶工业. 2000(02)
本文编号：3624869
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hxgylw/3624869.html
