納米塑料粒子在不同溫度工況條件下的性能分析

張俐楠

摘 要：近年來，計算材料科學發(fā)展突飛猛進，利用計算機進行分子動力學模擬，進行新材料的設(shè)計也成為探索復合材料的主要方式。在本文中，提出利用納米二氧化硅作為PMMA基體的增強體，從而克服PMMA力學性能不良的缺點;對納米二氧化硅粒子進行表面改性，增強與PMMA基體的相容性，增大分子間作用力，進一步提高力學性能。本文主要使用分子動力學模擬的研究方法，對純PMMA、PMMA/SiO2復合材料和PMMA/改性SiO2復合材料體系進行分子動力學模擬和力學模擬。

關(guān)鍵詞：納米粒子;復合材料;改性

1 緒論

納米復合材料包含基體和增強體兩部分，在增強體材料的選擇上，至少要求其在三維結(jié)構(gòu)中的某一維處于微納米量級上[1]。按照增強體的維數(shù)來劃分，可分為零維、一維、二維和分數(shù)維;按照增強體的三維結(jié)構(gòu)來劃分，可分為納米粒子、納米團簇、納米纖維、納米管和納米層等。不同的應(yīng)用場景對納米粒子增強體的選用也有區(qū)別，根據(jù)與基體材料的結(jié)合方式、結(jié)合程度、分子間作用機理的不同，形成的復合材料性能也不相同。對于復合材料力學性能增強機理的研究，需要從不同尺度上進行研究，解決從分子尺度—微觀尺度—宏觀尺度之間機理的信息可傳遞性[2]，才能全面了解納米復合材料的力學增強機理以及分子動力學模擬研究的適用性。近些年來，粒子憑借著小粒徑、大比表面積、高穩(wěn)定性和良好的相容性等特點備受研究人員關(guān)注。復合材料基體和增強體之間的復雜相互作用，讓復合材料有著更好的性能與穩(wěn)定性。經(jīng)過不斷地研究探索，該領(lǐng)域的學者研制出多種性能良好且應(yīng)用廣泛的復合材料[3，4]。

嚴苛的實驗條件一般需要耗費巨大的科研成本和研究周期，僅僅通過實驗手段已經(jīng)不能滿足目前的測試需求。隨著計算機科學技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機運算能力的提升，利用分子動力學模擬對新材料的制備、測試模擬已經(jīng)成為必不可少的手段。在計算機模擬測試過程中，通過控制各個變量可以較好的模擬真實的實驗條件，對材料的性能進行有效預測。因此，分子動力學模擬也成為了模擬聚合物復合材料的一個重要手段。

2 建模

Yang等[5]使用分子動力學模擬對SiO2/聚酰亞胺復合材料進行接枝改性處理，經(jīng)過接枝改性處理后的復合材料性能有大幅提升。研究表明，納米粒子表面經(jīng)接枝處理后，接枝基團與聚合物的大分子鏈相互纏結(jié)，提高了改性納米粒子與聚合物基體的相容性，進一步增強了基體與增強體之間的相互作用，從而提高了復合材料的力學性能。但是，在Tinashe[6]的研究中，使用分子動力學模擬的方法建立了聚苯乙烯和納米粒子的復合材料體系。結(jié)果表明，經(jīng)過接枝改性處理后的復合材料，隨著接枝率的上升，聚苯乙烯分子鏈的滲透性變差，最終復合材料的力學性能增強效果并沒有達到預期效果。

3 結(jié)果與討論

納米SiO2粒子模型建立完成之后，將納米粒子和PMMA分子鏈按照一定比例復制到一個晶胞內(nèi)。待納米粒子擴散模型建立完成之后，防止后續(xù)計算出現(xiàn)能量異常，需要進行幾何優(yōu)化，讓體系能量處于最低狀態(tài)。計算結(jié)果表明，隨著二氧化硅粒徑上升，擴散系數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，主要原因有兩點：隨著納米粒子粒徑的正大，PMMA分子鏈對粒子的熱運動阻礙效果增強，導致粒子發(fā)生熱擴散更加困難;根據(jù)阿倫尼烏斯對熱擴散的解釋，粒子直徑越大，發(fā)生擴散所需的能量越高，這個能量也叫擴散激活能。所以，在相同的溫度條件下，粒子直徑越大，擴散系數(shù)越小。

隨著溫度上升，相同粒徑的納米粒子擴散系數(shù)逐漸變大，主要原因如下：隨著溫度的上升，納米粒子與PMMA的熱運動更加頻繁，晶胞內(nèi)部的真空區(qū)更加容易被填充，粒子發(fā)生擴散也隨之更容易，導致擴散系數(shù)變大;根據(jù)阿倫尼烏斯理論，溫度越高，提供給體系的能量越高，納米粒子更容易突破發(fā)生擴散所需要的能量勢壘，所以導致粒子擴散系數(shù)變大。

參考文獻：

[1]任杰，劉艷，唐小真.聚合物基有機-無機納米復合材料研究及應(yīng)用前景[J].材料導報，2003（02）：58-62.

[2]劉軍.彈性體基復合材料中納米顆粒的擴散—分散—聚集、界面及力學增強機理的分子動力學模擬研究[D].北京化工大學，2011.

[3]Fragalà M E，Compagnini G，Malandrino G，et al.Silver nanoparticles dispersed in polyimide thin film matrix[J].European Physical Journal D，1999，9（1）：631-633.

[4]Birringer R，Gleiter H，Klein H P，et al.Nanocrystalline materials an approach to a novel solid structure with gas-like disorder？[J].Physics Letters A，1984，102（8）：365-369.

[5]Yang S，Choi J，Cho M.Elastic stiffness and filler size effect of covalently grafted nanosilica polyimide composites：molecular dynamics study[J].Acs Applied Materials & Interfaces，2012，4（9）：4792.

[6]Ndoro T V M，Voyiatzis E，Ghanbari A，et al.Interface of Grafted and Ungrafted Silica Nanoparticles with a Polystyrene Matrix：Atomistic Molecular Dynamics Simulations[J].Macromolecules，2011，44（7）：2316-2327.