石墨纳米片/聚乙烯复合物分子动力学模拟

摘要

通过分子动力学模拟对石墨纳米片(GNP)/聚乙烯(PE)复合物的结构、力学和气体输运性质进行计算研究,分析其随模拟温度和GNP填充量的变化规律,探讨纳米界面形成、复合机制及结构与特性的关系.GNP/PE复合物呈现二维结构,GNP趋向于平面取向排列并通过范德华力和纳米石墨片层表面上的碳氢-π键使周围几个原子尺度内的PE分子固化为有序原子层,而PE基体仍然为各向同性的无定形结构.GNP/PE界面上纳米复合作用使体系能量降低,与PE体系相比,GNP/PE的杨氏模量和泊松比分别显著增高和降低.GNP平面取向导致GNP/PE的力学特性表现出二维各向异性的弹性常数张量,在石墨纳米片层平面方向上的杨氏模量明显增高,并且随温度的降低和GNP填充量的提高而增大,填充GNP有效改善了GNP/PE的力学性质.GNP/PE复合物的气体输运性质明显受到填充GNP的气体阻隔和取向的影响并且对3种气体渗透没有明显的选择性.GNP与基体的纳米复合导致N2、O2和CO2的分子输运呈现二维各向异性,随着石墨纳米颗粒填充量的增加,取向GNP层面方向的扩散系数比垂直方向高5～8倍,可用于气体分子屏障与渗流控制.