聚合物/微也混合体系粘度的分子动力学计算

摘要

微孔塑料制品近年来在建筑，汽车，航空航天等领域有着广泛应用。制品中微孔的存在使材料中原有的裂纹尖端钝化，有利于阻止裂纹在应力作用下扩展，提高了材料的耐冲击强度、韧性和耐疲劳寿命。注射成型是用于制备微孔塑料制品的主要成型方法。该工艺将单一均相的聚合物和超临界流体(N2或CO2)的混合体系快速注射入模具型腔，随着压力骤降，超临界气体便会逸出，形成大量的气体微泡，然后微泡与模腔内熔体一起冷却定型而得到泡孔大小均匀、分布均匀的微孔塑料制品。
　　 微孔塑料成型过程中，超临界流体及其逸出后的微泡增大了聚合物自由体积和分子链活动性，能降低体系的粘度，进而降低成型所需的注射压力和锁模力。但常规的流变仪很难直接测量SCF作用后熔体的粘度，因此利用分子动力学方法研究聚合物熔体/气体微泡混合体系粘度的变化规律，对于确定合理的微泡注射成型工艺，以得到理想质量的微孔塑料制品，具有重要意义。
　　 本论文基于线性响应理论，利用平衡分子动力学方法通过相关函数分别对纯LDPE熔体以及LDPE/CO2微泡混合体系的粘度进行了计算。模拟中采用正则系综(NVT)，通过Gaussian热浴法控制温度，利用Velocity-Verlet算法对方程离散求解。主要内容及结果包括：
　　 (1)将聚合物链粗粒化为珠-杆链，所有聚合物珠子通过Lennard-Jones势能函数相互作用，基于该分子动力学模型，研究了纯聚合物体系的粘度。
　　 (2)根据气泡大小构造不同的系统，并将气体微泡视为由束缚在一起的表征气体分子的珠子组成，将聚合物分子粗粒化为珠-杆链，研究了微泡体积分数对聚合物/气体微泡混合体系粘度的影响。
　　 (3)研究发现，聚合物熔体中的气体微泡能降低熔体的粘度，且随着熔体中气泡体积分数的增加，熔体的粘度逐渐降低。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 微孔塑料成型

1.1.1 微孔塑料成型过程

1.1.2 微孔塑料成型方法

1.1.3 超临界流体在微孔塑料中的应用

1.2 粘度的测量方法

1.2.1 毛细管测试法

1.2.2 旋转测量法

1.2.3 落球法

1.2.4 振动法

1.3 本文选题思想及研究内容

2 工艺因素对熔体粘度的影响

2.1 温度对粘度的影响

2.2 压力对粘度的影响

2.3 剪切速率对粘度的影响

2.4 本章小结

3 熔体粘度的分子动力学计算方法

3.1 分子动力学

3.1.1 基本原理

3.1.2 势函数

3.1.3 分子动力学的基本算法

3.1.4 初始条件和边界条件

3.1.5 分子动力学系综

3.2 粘度计算方法

3.2.1 非平衡分子动力学方法

3.2.2 平衡分子动力学方法

4 聚合物/微泡混合体系粘度的分子动力学研究

4.1 聚合物/气体微泡混合体系的粘度计算

4.1.1 主要步骤

4.1.2 系统

4.1.3 势能模型

4.1.4 系综

4.1.5 周期性边界条件

4.1.6 初始速度的设定

4.1.7 温度的控制

4.1.8 运动方程的离散

4.1.9 宏观物性的统计

4.1.10 粘度计算

4.1.11 结果与分析

4.2 纯聚合物熔体粘度的计算

4.2.1 系统

4.2.2 模拟细节及结果

4.2.3 温度对熔体粘度的影响研究

5 总结与展望

参考文献

致谢