高分子及其复合材料研究应用案例

时间:2014-04-02

丁晴橡胶/受阻酚阻尼材料体系中氢键与自由体积的实验和理论研究

Reference: J. Mater. Chem.22, 12339(2012)
所用模块:Forcite Plus( Discover )、Amorphous cell、COMPASS
      阻尼(减振)材料在汽车、建筑、精密机械等工业中被广泛用于减小噪音和振动疲劳。北京化工大学的研究人员将实验与理论模拟相结合,首次建立了丁晴橡胶的微观结构和其阻尼性质的关系。他们阐述了丁晴橡胶(NBR)中引入小分子受阻酚(AO-80)后,阻尼性质增强的机制,定量计算了丁晴橡胶(NBR)和受阻酚(AO-80) 满足不同比例时,体系的氢键数目、自由体积和结合能,发现质量比100/60的混合体系具有最好的阻尼性质。这一研究为设计新型阻尼材料提供了新的方法。
 
图1. NBR/AO-80的全原子模型。通过动力学模拟获得平衡结构并统计氢键数目和自由体积大小
 
 
 
聚苯二甲酰胺热性质的分子模拟研究:分子模型与实验结果的比较
Reference: Polymer 53, 3203 (2012)
所用模块:Synthia、Forcite Plus、COMPASS、Amorphous Cell
      聚苯二甲酰胺(PPA)是一种由己二胺与对苯二甲酸(TPA)或间苯二甲酸(IPA)缩合得到,并具有高机械强度和优异耐热性能的半芳香族聚酰胺。法国里昂大学的研究人员通过实验合成和表征了具有不同TPA/IPA摩尔比的PPA,并将得到的玻璃化转变温度Tg与理论计算结果做了对比。研究表明,不论是以定量结构性能关系为基础快速预测聚合物性能的方法还是分子动力学方法,给出的Tg随TPA/IPA摩尔比的变化趋势与实验数据具有良好的一致性。基于这一研究,研究人员建立了一种基于分子模拟开发新型PPA树脂以及预测聚合物性质的方法。
 
图1. 基于实验、动力学方法以及结构性能关系得到的Tg随TPA含量的变化曲线。三者具有良好的一致性
 
 
 
分子动力学模拟交联环氧树脂的热机械性能
Reference: Polymer 53, 4806 (2012)
所用模块:Forcite Plus、Amorphous Cell、COMPASS
      环氧树脂模塑料(EMC)是主要的塑封材料,其热机械性能对于塑封半导体器件的稳定性有着重要的影响。研究人员采用分子动力学方法对由固化剂双酚A和环氧树脂EPN1180组成的环氧树脂模塑料的热机械性能进行了研究。他们通过“交联-弛豫”循环的方法构建了体系的交联网络结构,考察了交联密度和温度对体系热机械性能包括固化收缩、凝胶化点、热膨胀系数、玻璃化转变温度、杨氏模量以及泊松比的影响,所得结果与已有实验数据一致。研究表明,分子动力学是一种研究热固性材料热机械性能的有效方法。
 
图1.利用“交联-弛豫”循环方法获得的交联密度为90%的交联网络模型
 
图2. 交联密度为90%的环氧树脂在温度
 
 
 
体异质结聚合物太阳能电池的形态优化 
Reference: Appl. Phys. Lett. 100, 053307 (2012) 
所用模块:MesoDyn 、Forcite Plus
      体异质结聚合物太阳能电池具有良好的应用前景。它成本更低,基于溶液制备且具有柔韧性。已有的研究表明其性能与光敏层的平衡形态密切相关。苏州大学的研究人员利用分子动力学和平均场密度泛函方法研究了P3HT[电子给体,poly(3-hexylthiophene)]和PCBM[电子受体,[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester]在不同比例和温度条件下的混合形态,所预测的双连续相稳定存在的比例区间以及形态随温度的变化趋势均与实验结论一致。研究还基于Flory-Huggins参数探讨了电子给体和受体形成稳定双连续相的必要条件,对光敏层组分的设计提供了理论依据。
 
图1 Flory-Huggins参数不同时的P3HT密度场图(T=423 K,PCBM体积百分数0.5) 
 
 
 
电子在碳纳米管-聚乙烯结处输运性能的原子尺度模拟
Reference: J. Phys. Chem. C 117, 8020, (2013)
所用模块:Forcite Plus,DFTB+,Amorphous Cell,COMPASS
      碳纳米管(CNTs)作为下一代高分子复合材料的优异填料,能够有效改善高分子材料的力学、热学以及电学性能,尤其是形成导电纳米高分子复合材料。来自德国的研究人员采用分子动力学和密度泛函紧束缚方法,以封端(10,10)碳纳米管和聚乙烯为例,对普遍存在的CNT-聚合物-CNT结的导电机制做了研究。他们不仅得到了碳管封端距离不同时的复合材料结构模型,而且计算了各个距离上电子的透射系数,揭示了导电机制随距离的变化,并发现聚合物的前线轨道与碳管封端电子轨道的耦合能够有效提高电子透射系数。这一结论弥补了宏观研究中关于纳米高分子复合材料微观导电机制的缺失。
      
图1.CNT-PE-CNT体系随CNT-CNT封端距离变化的平均、最小、最大的透射系数,及基于单、双势垒Wentzel-Kramers-Brillouin模型拟合的平均透射系数。
 
图2. CNT-CNT距离为8Å下的局部透射系数图
 
 
 
聚合物纳米复合材料的多尺度模拟
Reference: J. Mater. Chem. 22, 5398 (2012)
所用模块:Mesocite(DPD)、MesoProp 、Amorphous Cell、Forcite Plus、COMPASS
      聚合物纳米复合材料(PNC)的研究和实用价值不言而喻,但受限于PNC结构的复杂性,微观原子尺度的模拟很难反映PNC的宏观性能。意大利里雅斯特大学的研究人员将多种尺度的模拟方法相结合,实现了PNC从独立分子到连续介质的跨尺度研究。他们利用分子动力学得到组份间的束缚能,然后以此为据,在介观尺度得到聚合物在与纳米颗粒界面处的分布形态(密度场),并借助固定网格有限元方法计算此界面层的性质,最后利用有限元方法计算包括聚合物、纳米颗粒以及界面层在内的网格模型,得到杨氏模量、泊松比、热导率、透气率等宏观性质。这一研究开创了模拟研究PNC结构与性能关系的新方法。
 
图1 (a)和(b)分别代表有限元计算所使用的宏观模型及对应的网格结构;
(c)显示了(a)图中碟状纳米颗粒的放大图,其内部由介观模拟得到的聚丙烯和水滑石的插层结构表征