彈性體基復合材料納米填料分散聚集、聚合物界面行為及性能的分子動力學研究模擬.pdf

1、由于備受學術界和工業(yè)界的重視，當前聚合物納米復合材料發(fā)展非常迅猛而成為研究熱點;同時聚合物納米復合材料具有諸如流變，光電學，力學等方面的優(yōu)異性能;因此它的應用價值潛力巨大。其中的彈性體基納米復合材料具有特殊的高彈性能，是現(xiàn)代社會不可或缺的重要材料。彈性體基復合材料是指將炭黑，蒙脫土或者納米管等填料以納米尺度填充到彈性體基體中獲得的體系;當前它已經(jīng)被認為屬于納米復合材料范疇。另外，納米填料優(yōu)異的分散性是實現(xiàn)材料有效增強的重要手段。同時由于

2、彈性體基納米復合材料本身具有多尺度多層次的復雜微觀網(wǎng)絡結構，因此實驗手段難以全面表征體系的微觀結構。這就導致人們很難定量描繪材料微觀結構與其宏觀性能的關系，嚴重地阻礙了彈性體基納米復合材料的實際應用。
　　基于此，本論文的主要工作是首先理解填料在彈性體基體中的插層、分散與聚集機理，隨后研究填料界面聚合物的靜態(tài)與動態(tài)行為，最后考察彈性體基納米復合材料的拉伸、斷裂及其導電性能。我們重點關注材料微觀結構與宏觀性能的聯(lián)系。主要的內(nèi)容與創(chuàng)新

3、點如下:
　　（一）聚合物插層粘土動力學和層內(nèi)聚合物靜態(tài)結構的研究:
　　利用分子動力學模擬，我們系統(tǒng)地考察了聚合物插層粘土動力學過程和層內(nèi)聚合物靜態(tài)結構。我們發(fā)現(xiàn)中等聚合物粘土相互作用，短分子鏈，大的層間距可以加速聚合物的插層速率。同時這個插層過程對溫度非常敏感。進一步地，合理選取有機改性劑能更有效的剝離粘土。而粘土層內(nèi)聚合物展現(xiàn)出多層有序的靜態(tài)（密度與取向）結構。本工作可以有助于更好地理解聚合物插層粘土過程和層內(nèi)聚合物靜

4、態(tài)結構。
　　(二)納米桿在彈性體基體中分散聚集過程的研究:
　　在彈性體基體中，中等界面相互作用下納米桿在基體中有最好的分散性。而在低界面相互作用下，納米桿直接聚集;在高界面相互作用下，納米桿吸附分子鏈形成緊密的聚集結構。同時，納米桿的分散聚集過程對溫度非常敏感且符合阿倫尼烏斯方程。最后我們考察了填料體積分數(shù)，本體交聯(lián)密度，交聯(lián)鍵形成速率及剪切場對納米桿聚集過程的影響，同時分析了填料結構的變化。本工作有助于理解如何使納米桿

5、在彈性體基體均勻分散以及納米桿的分散聚集動力學過程。
　?。ㄈ┘{米顆粒界面聚合物結構和動力學的研究:
　　(i)我們考察納米片界面聚合物的密度，取向（化學鍵、鏈段、整鏈尺度）和分子鏈均方回轉半徑，發(fā)現(xiàn)界面分子鏈靜態(tài)結構與本體分子鏈有很大的區(qū)別，且界面寬度為5σ。隨后我們研究了界面相互作用對界面聚合物的空間分布，解吸附動力學，鍵取向相關函數(shù)的影響，結果表明對于強吸引體系，納米片界面存在一層玻璃化層。本工作有助于理解納米片界面

6、聚合物的靜態(tài)結構和動力學行為。
　　(ii)我們考察不同形狀和尺寸填料對界面聚合物動力學的影響。結果表明納米片對界面聚合物的束縛能力最強，其次是納米桿和納米球。同時界面聚合物的運動隨著填料尺寸的下降而上升。進一步地研究表明，填料的曲率和填料對界面聚合物施加的力共同決定了界面聚合物的動力學。在高填料體積分數(shù)下，對于吸引體系，由于多個納米顆粒的共同作用，界面聚合物的運動能力更弱。本工作有助于理解不同形狀填料對界面聚合物動力學行為的影響

7、。
　?。ㄋ模椥泽w納米復合材料拉伸與斷裂性能的研究:
　　(i)對于彈性體納米桿復合材料中，存在一個最佳的納米桿體積分數(shù)使得材料力學性能達到最佳。同時材料出現(xiàn)的應力屈服點來自于納米桿吸附聚合物形成的網(wǎng)絡結構在拉伸過程中破壞所引起的。在小應變下，材料的增強來自于聚合物和納米桿的取向;而在大應變，材料的增強來源于聚合物的有限鏈伸長。另外，界面相互作用，填料體積分數(shù)影響前者，而界面化學耦合影響后者。本工作有助于我們從分子水平來理

8、解納米桿增強彈性體基體的機理。
　　(ii)我們考察在彈性體納米桿復合材料的斷裂過程中，材料內(nèi)部自由體積，孔洞數(shù)目和尺寸，體系范德華能，聚合物運動性與取向和材料應力應變曲線的關系。特別地，體系初始的孔洞傾向于在鏈末端產(chǎn)生。最后我們系統(tǒng)地研究了界面相互作用，溫度，分子鏈長，填料體積分數(shù)，交聯(lián)密度對材料斷裂行為的影響。有趣地是，我們發(fā)現(xiàn)材料存在兩種斷裂模式，即無聚合物束的A模式和有聚合物束的B模式。本工作有助于我們從分子水平來理解材料

9、的斷裂行為與機理，對設計高韌性的材料具有重要意義。
　　（五）彈性體納米桿復合材料導電性能的研究:
　　(i)這里我們考察納米桿填充的彈性體復合材料的導電性能。首先我們研究界面相互作用，納米桿長徑比，剪切場對彈性體基體中填料網(wǎng)絡的影響。隨后我們分析填料網(wǎng)絡與材料導電性能的關系;最終我們獲得了材料加工參數(shù)與材料宏觀導電性能的內(nèi)在聯(lián)系。另外，我們發(fā)現(xiàn)填料分散度與材料導電性能不是一一對應的關系。最后，我們考察了填料網(wǎng)絡在剪切場下的

10、變化過程。本工作從填料網(wǎng)絡出發(fā)來理解材料的導電機理，對如何控制填料網(wǎng)絡來獲得高導電性能的納米桿復合材料具有重要的指導作用。
　　(ii)我們考察了在彈性體基體中填料網(wǎng)絡的破壞和回復過程。結果表明中等程度的分子鏈末端改性有利于形成連續(xù)緊密的填料網(wǎng)絡，進而提高材料的導電性能。在剪切場下，由于納米桿的取向，材料會出現(xiàn)各向導電異性。同時材料三維導通率與剪切速率的關系可以用一個半經(jīng)驗方程描繪。另外我們也提出了一個經(jīng)驗方程來描繪材料各向導電異