不同链长分布的无定形聚合物拉伸性能的分子动力学模拟

摘要

高分子材料的许多性能与分子量、分子量分布（MWD）有关，分子量及其分布是影响聚合物结构-性能的内因，因此理解分子量分布对聚合物性能如何产生影响，对于人们根据影响效应来获取符合人们预期要求的产品有着非常重要的指导意义。但由于实验的局限性，一些微观尺度的信息很难通过传统实验获取，分子量、分子量分布与聚合物力学行为之间的关系尚未得到很好的揭示。 本文应用大规模分子动力学方法，采用无定形聚乙烯联合原子模型，对不同链长分布的聚合物体系进行了单轴拉伸模拟，探究了混合比，分子量分布和多分散性聚合物体系的分子量对聚合物力学性能的影响。主要研究内容包括： （一）通过对含两种链长按不同比例组合的无定形聚乙烯体系进行单轴拉伸模拟，探究了混合比对无定形聚合物拉伸过程中形变行为的影响，分析了无定形聚合物在拉伸应力场中的应力应变曲线、能量演变、聚合物分子链的取向和缠结行为。分析结果表明，混合比对无定形聚合物拉伸过程中的弹性变形、屈服及应变软化阶段几乎没有影响，但在应变强化阶段，随着混合比的减小（即体系中较长链的增多），拉伸过程的应变强化阶段越显著，历经的时间越长，所能达到的最大应力值越大，同时链的取向和缠结也主要发生在应变强化阶段，并且体系中较长的链越多，链的取向与解缠结程度越显著。 （二）通过对不同分子量分布的无定形聚乙烯体系进行单轴拉伸模拟，探究了分子量分布对无定形聚合物拉伸过程中形变行为的影响，分析了无定形聚合物在拉伸应力场中的应力应变曲线、能量演变、聚合物分子链的取向和缠结行为。分析结果表明，分子量分布对无定形聚合物拉伸过程的弹性变形、屈服以及应变软化阶段几乎没有影响，但对应变强化阶段有显著的影响，而且这种影响并不是简单的随着分子量分布越宽应变强化阶段越显著的关系，而是在一定分布范围内成正相关。并且在拉伸变形中，各体系中最终分子链的取向和解缠结的程度与应变强化阶段历经的时间成正相关。 （三）通过对不同分子量的多分散性无定形聚乙烯体系进行单轴拉伸模拟，探究分子量，温度对多分散性无定形聚合物的应力应变行为的影响，分析了无定形聚合物在拉伸应力场中的应力应变曲线、能量演变、聚合物分子链的取向和缠结行为。分析结果表明，在拉伸形变中，不同分子量的多分散性聚合物体系的弹性模量相同，但分子量越大的体系，应变软化阶段越显著，并且应变强化阶段历经的时间越长，而拉伸过程所达到的最大应力值并不随着分子量的增加而增加。但各体系经拉伸之后，分子链最终取向的程度随着体系分子量的增大而增大，并且各体系最终链取向的程度与应变强化阶段历经的时间成正相关。在不同的拉伸温度下，各体系的弹性模量和应变强化模量相同，但拉伸温度越低屈服应力越大并且所达到的最大应力越大。但经拉伸之后，不同拉伸温度下各体系分子链取向的程度基本相同，而体系中最终分子链的缠结程度随着拉伸温度的增加而略有减小。 本文通过对不同链长分布的无定形聚乙烯体系进行单轴拉伸的分子动力学模拟，探究了混合比，分子量分布和多分散性聚合物体系的分子量对聚合物力学性能的影响，发现混合比，分子量分布对无定形聚合物应力应变行为的弹性变形、屈服和应变软化阶段几乎没有影响，但不同链长分布的体系对应变强化阶段有显著的影响，并且链的取向和解缠结也主要发生在这个阶段。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1课题背景

1.2聚合物的形态结构

1.3 分子动力学模拟及在材料领域中的运用

1.3.1分子动力学模拟

1.3.2分子动力学模拟软件

1.3.3 分子动力学模拟在材料领域中的运用

1.4 聚合物力学性能的国内外研究动态

1.5 聚合物的分子量及其分布对其力学性能影响的国内外研究动态

1.6 本课题的主要研究内容

第二章分子动力学模拟理论基础

2.1分子动力学模拟理论基础

2.1.1分子动力学模拟基本原理

2.1.2运动方程的数值解法

2.1.3分子力场

2.1.4周期性边界条件

2.1.5积分步长

2.1.6系综及其动力学

2.1.7系统的控制方法

2.2本章小结

第三章混合比对无定形聚合物力学性能的影响

3.1模型的构建

3.2拉伸模拟参数与方法

3.2.1拉伸模拟参数

3.2.2拉伸模拟方法

3.3不同混合比对无定形聚合物拉伸过程形变行为的影响

3.4短链与中链不同混合比对无定形聚合物拉伸过程能量演变的影响

3.5短链与中链不同混合比对无定形聚合物拉伸过程内部结构演变的影响

3.5.1短链与中链不同混合比对无定形聚合物拉伸过程链取向演变的影响

3.5.2短链与中链不同混合比对无定形聚合物拉伸过程链缠结演变的影响

3.6本章小结

第四章 分子量分布对无定形聚合物力学性能的影响

4.1模型的构建

4.2拉伸模拟参数与方法

4.2.1拉伸模拟参数

4.2.2拉伸模拟方法

4.3分子量分布对无定形聚合物拉伸过程形变行为的影响

4.4分子量分布对无定形聚合物拉伸过程能量演变的影响

4.5分子量分布对无定形聚合物拉伸过程内部结构演变的影响

4.5.1分子量分布对无定形聚合物拉伸过程链取向演变的影响

4.5.2分子量分布对无定形聚合物拉伸过程链缠结演变的影响

4.6本章小结

第五章 分子量对多分散性无定形聚合物力学性能的影响

5.1模型的构建

5.2拉伸模拟参数与方法

5.2.1拉伸模拟参数

5.2.2拉伸模拟方法

5.3分子量对多分散性无定形聚合物拉伸过程形变行为的影响

5.4分子量对多分散性无定形聚合物拉伸过程能量演变的影响

5.5分子量对多分散性无定形聚合物拉伸过程内部结构演变的影响

5.5.1分子量对多分散性无定形聚合物拉伸过程链取向演变的影响

5.5.2分子量对多分散性无定形聚合物拉伸过程链缠结演变的影响

5.6温度对多分散性无定形聚合物力学性能的影响

5.6.1温度对多分散性无定形聚合物拉伸过程形变行为的影响

5.6.2温度对多分散性无定形聚合物拉伸过程能量演变的影响

5.6.3温度对多分散性无定形聚合物拉伸过程内部结构演变的影响

5.7本章小结

第六章全文总结与展望

6.1本文的主要工作及成果

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文