PP/PA6共混体系的计算机模拟研究

摘要

本文运用DPD模拟PP/PA6共混介观体系，计算了PP/PA6在90/10、80/20、70/30、60/40、50/50、40/60、30/70和10/90混合比下的介观相貌，发现PP/PA6介观形态在90/10、80/20和10/90混合模型中为球状液滴结构分布，在70/30和30/70混合模型中呈管束状结构分布，在60/40和40/60混合模型中呈层状结构分布，在50/50混合模型中呈双连续结构分布。研究对比不同混合比PP/PA6体系粒子沿X轴等密度图，通过粒子等密度图可以考察体系粒子的聚集情况。研究PP/PA6共混体系均方根末端距，发现PP、PA6均方根末端距大小与其相应含量成正比，这是由于某一组分增多会给其分子链留下更多的自由伸展空间，从而有利于分子链的扩散运动与解纠缠。为验证 DPD模拟参数选择是否恰当，将 DPD模拟得到的相图与相关文献SEM图对比，发现两者有较高的相似度。通过截取不同时间步长的相图分析PP/PA6共混的演变进程，发现不同混合比体系达到平衡所需要的时间步不同。本文模拟了温度变化对PP/PA6混合体系的影响，发现温度变化对混合体系介观相貌有一定影响，其次升高温度能提高珠子扩散系数和链的均方根末端距。研究剪切力场对PP/PA6共混性影响，模拟结果显示较小的剪切速率对介观形态的影响可忽略不计，当剪切速率继续增大时，介观相貌会沿剪切速率方向取向并发生变化，并最终形成管状束胶结构，从相关文献上也发现共混体系在剪切力下逐渐变成管状束胶结构。最后还通过进入21世纪以来，计算机模拟作为一种重要的方法和手段，被广泛应用于材料的研究、设计和开发工作中，并且极大促进了材料相关领域的发展。为了从分子水平上研究PP（聚丙烯）、PA6（尼龙6）混合相容性，本文先运用MD分子动力学方法模拟研究了常温下（25℃）PP/PA6共混相容性；此外，还运用DPD耗散粒子动力学方法模拟了PP/PA6二元共混体系及含嵌段共聚物增容剂的PP/PA6/PP-b-PA6三元共混体系，获取了相关的介观形貌信息。MD与DPD模拟的有效衔接为聚合物共混与复合材料研究开辟了一个新途径。
　　本研究主要内容包括：⑴运用MD方法模拟研究PP/PA6共混相容性。常温常压下分别对80PP/20PA6、60PP/40PA6、50PP/50PA6、40PP/60PA6和20PP/80PA6五种混合比的混合物进行了微观模拟研究，计算体系Flory-Huggins相互作用参数和C-C原子对径向分布函数。通过对比Flory-Huggins相互作用参数χAB与临界作用参数χC值的大小，结果五组共混物χAB值均大于χC值，表明这些混合体系均不相容。对比同类分子C-C原子对径向分布函数（PP-PP、PA6-PA6）与不同类分子C-C原子对径向分布函数（PP-PA6），也发现PP和PA6以上述五种比例混合难以相容。通过MD模拟研究了温度变化对PP、PA6共混相容性的影响，先运用Material Studio软件的Blend模块计算PP/PA6共混相图，对 PP、PA6相容性做一个大概预测，然后计算五个混合比 PP/PA6的Flory-Huggins相互作用参数随温度的变化趋势。结果表明常温下PP、PA6混合体系只有当PP（或PA6）含量非常少的情况下才会出现相容，而升高体系温度可以减小Flory-Huggins相互作用参数，促进体系相容。此外，MD模拟还研究了温度对PP、PA6分子链均方末端距和体系能量的影响。⑵运用DPD模拟PP/PA6共混介观体系。首先计算了PP/PA6在90/10、80/20、70/30、60/40、50/50、40/60、30/70和10/90混合比下的介观相貌，发现PP/PA6介观形态在90/10、80/20和10/90混合模型中为球状液滴结构分布，在70/30和30/70混合模型中呈管束状结构分布，在60/40和40/60混合模型中呈层状结构分布，在50/50混合模型中呈双连续结构分布。研究对比不同混合比PP/PA6体系粒子沿X轴等密度图，通过粒子等密度图可以考察体系粒子的聚集情况。研究PP/PA6共混体系均方根末端距，发现PP、PA6均方根末端距大小与其相应含量成正比，这是由于某一组分增多会给其分子链留下更多的自由伸展空间，从而有利于分子链的扩散运动与解纠缠。为验证 DPD模拟参数选择是否恰当，将 DPD模拟得到的相图与相关文献SEM图对比，发现两者有较高的相似度。通过截取不同时间步长的相图分析PP/PA6共混的演变进程，发现不同混合比体系达到平衡所需要的时间步不同。本文模拟了温度变化对PP/PA6混合体系的影响，发现温度变化对混合体系介观相貌有一定影响，其次升高温度能提高珠子扩散系数和链的均方根末端距。研究剪切力场对PP/PA6共混性影响，模拟结果显示较小的剪切速率对介观形态的影响可忽略不计，当剪切速率继续增大时，介观相貌会沿剪切速率方向取向并发生变化，并最终形成管状束胶结构，从相关文献上也发现共混体系在剪切力下逐渐变成管状束胶结构。最后还通过DPD模拟发现体系珠子的均方根末端距和扩散系数会随着剪切速率的增大而增大，说明了提高剪切力有利于团聚体的破碎和迁移。⑶运用DPD模拟研究含嵌段共聚物增容剂的PP/PA6/PP-b-PA6三元混合体系。首先比较了相同PP/PA6混合比的二元混合体系和含增容剂三元共混体系的介观等密度图和界面张力大小，发现三元共混体系界面出现凹凸不平的突起结构，且三元体系界面张力小于二元体系，说明加入增容剂确实起到促进 PP/PA6相容的作用。其次，考察了 PP-b-PA6添加量及链长对PP/PA6混合性效果的影响，发现加入少量PP-b-PA6能减少体系界面张力提升共混相容性，加入过量PP-b-PA6后界面张力由于PP、PA6相发生“溶胀”而增大，导致促进相容的效果不佳。最后还考察含增容剂三元混合体系界面性质，研究了增容剂添加量对界面厚度的影响。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 聚合物共混性的多尺度模拟应用

1.3 增容剂对A/B体系共混性影响的研究

1.4 本论文研究的主要问题和研究方法

第二章 MD及DPD模拟的理论基础和模拟方法

2.1 分子动力学模拟理论

2.2 耗散粒子动力学理论及方法

第三章 PP/PA6共混相容性的MD模拟研究

3.1 PP/PA6共混体系模型建立

3.2 模拟结果及分析

3.3 本章总结

第四章 PP/PA6共混的DPD模拟

4.1 PP/PA6共混模型建立和参数设置

4.2 模拟结果及讨论

4.3 本章小结

第五章 含嵌段共聚物增容剂的三元共混DPD模拟

5.1 DPD模拟参数选择

5.2 模拟结果与讨论分析

5.3 结论

第六章 全文总结及展望

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