【摘要】：橡膠納米復(fù)合材料在各種國民經(jīng)濟(jì)與國防軍工領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛,是一種戰(zhàn)略性資源。而高分子納米復(fù)合材料(PNCs)性能的優(yōu)劣,與填料及各種配合劑在橡膠中的分散和相互作用密切相關(guān)。多年來,研究者們通過各種實驗檢測和計算機模擬方法從宏觀和微觀的角度研究填料和配合劑對橡膠力學(xué)性能等的作用機理。在橡膠納米復(fù)合材料中,多層次、多尺度的復(fù)雜相互作用,即從分子水平的基團(tuán)相互作用,到納米尺度的填料和配合劑的分散,再到亞微觀尺度自組裝結(jié)構(gòu)等,均會極大的影響宏觀材料的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)特性。這使得傳統(tǒng)的實驗手段難以細(xì)致深入地表征其微觀結(jié)構(gòu),從而很難全面了解各種因素對橡膠材料力學(xué)性能影響的微觀機理。新型飛速發(fā)展的分子動力學(xué)(MD)模擬手段將在研究橡膠納米復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的分子尺度微觀機理上發(fā)揮十分重要的作用�；谝陨涎芯勘尘�,本論文主要是通過聯(lián)合原子和全原子尺度的分子動力學(xué)模擬,圍繞補強劑與增塑劑對橡膠復(fù)合材料力學(xué)性能影響的微觀機理,進(jìn)行初步探索。研究工作主要從以下兩個方面開展:一,石墨烯(GP)堆積對橡膠材料力學(xué)性能影響微觀機理研究通過聯(lián)合原子尺度上的分子動力學(xué)模擬,我們構(gòu)建了一系列含有兩種新型結(jié)構(gòu)GP(插層結(jié)構(gòu)和堆疊結(jié)構(gòu))的順-1,4-聚丁二烯橡膠(cis-PB)體系的雜化模型。研究了不同GP堆積方式對于微觀橡膠分子鏈結(jié)構(gòu)、鏈動力學(xué)、鏈運動能力,以及對宏觀材料單軸拉伸性能、動態(tài)剪切行為的影響,并深入挖掘了材料宏觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)、微觀相互作用間的關(guān)系。模擬結(jié)果顯示:位于GP片層間的cis-PB分子鏈被強烈地限制,鏈運動能力、鏈卷曲程度下降,使得分子鏈在拉伸過程中更容易沿拉伸方向取向。因此,插層雜化體系在大拉伸應(yīng)變下具有更高的拉伸應(yīng)力。對于堆疊雜化體系,GP與GP片層間的直接相互作用以及堆疊GP結(jié)構(gòu)整體的取向是決定體系動靜態(tài)力學(xué)性能的主要因素�？v向?qū)Ρ壤旌图羟行袨榘l(fā)現(xiàn):堆疊雜化體系具有更高的拉伸應(yīng)力,插層雜化體系具有更高的動態(tài)儲能模量。由此推斷,GP與GP間的直接接觸作用對拉伸性能的貢獻(xiàn)大于GP與cis-PB分子鏈間的相互作用和插層限制效應(yīng),而插層結(jié)構(gòu)對cis-PB鏈的限制和取向作用對剪切性能的貢獻(xiàn)大于GP與GP間的直接接觸作用。二,C5/C9石油樹脂對橡膠材料力學(xué)性能影響機理研究在橡膠工業(yè)中,C5/C9石油樹脂因其軟化、增粘和補強效應(yīng),廣泛用于改善橡膠的加工性能。而以上效應(yīng)的程度強烈依賴于橡膠基體和樹脂增塑劑間的相容性和相互作用。因此,我們選擇了五種商用石油樹脂(兩種古馬隆樹脂、苯乙烯樹脂、C5/C9石油樹脂、C9石油樹脂)和兩種工業(yè)級溶聚丁苯橡膠(SSBR),來研究對于某種給定橡膠,什么樣的樹脂結(jié)構(gòu)最能滿足其力學(xué)補強需求,又是什么微觀機理主導(dǎo)了樹脂對橡膠力學(xué)性能的影響。我們使用全原子尺度上的MD模擬,首先研究了樹脂微觀分子組成對二者相容性的影響。通過實驗測定橡膠和樹脂溶解度參數(shù)(δ),模擬計算橡膠和樹脂的δ和R值、橡膠-樹脂雜化體系的結(jié)合能(Ebinding)、橡膠鏈在雜化體系中的自擴(kuò)散系數(shù)(Ds)、雜化體系的自由體積分?jǐn)?shù)(FFV),我們發(fā)現(xiàn):(1)實驗測定和模擬計算δ所得相容性順序相符;(2)因五種樹脂分子結(jié)構(gòu)相近,不同模擬結(jié)果所得橡膠和樹脂相容性順序整體趨勢一致,但細(xì)節(jié)有所偏差,且五種樹脂與橡膠的相容性普遍較好;(3)二者的相容性不是影響該雜化體系力學(xué)性能的主要因素。其次,我們進(jìn)一步研究了樹脂微觀分子組成對二者間相互作用的影響。通過構(gòu)建樹脂分子鏈/SSBR單元和樹脂單元/SSBR單元模型計算它們之間的相互作用能,并與實驗中力學(xué)模量分布曲線對比發(fā)現(xiàn):(1)苯乙烯單元與樹脂間的相互作用最強,順-1,4-丁二烯單元與樹脂間的相互作用最弱;(2)樹脂與SSBR的相容性強于與順丁橡膠的相容性,“(1)”中分子鏈/單元尺度相互作用的結(jié)論與該分子鏈/分子鏈尺度上相容性結(jié)論一致;(3)影響復(fù)合體系力學(xué)性能主要因素是微觀苯乙烯單元、丁二烯單元與樹脂相互作用的差異。
【圖文】：

傅里葉級數(shù)展開的函數(shù)形式，這些展開式中的待定常數(shù)就稱為力場參數(shù)。逡逑力場函數(shù)主要包括：鍵伸縮項（圖１－１邋（ａ））、鍵角彎曲項（圖１－１邋（ｂ））、二面角逡逑扭轉(zhuǎn)項（圖１－１邋（ｃ））、偏離平面振動項（圖１－１邋（ｄ））、非正常二面角扭轉(zhuǎn)項（圖１－１逡逑（ｅ））、范德華作用項和庫倫作用項。逡逑７逡逑

⑷ｙ＇sE逡逑圖１－１邋（ａ）鍵伸縮內(nèi)坐標(biāo)，（ｂ）鍵角彎曲內(nèi)坐標(biāo)，（ｃ）二面角扭轉(zhuǎn)內(nèi)坐標(biāo)，（ｄ）面外彎曲內(nèi)坐標(biāo)，逡逑（ｅ）非正常二面角扭轉(zhuǎn)項示意圖［１８〗逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｉｎｔｅｒｎａｌ邋ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋ｆｏｒ邋（ａ）邋ｂｏｎｄ邋ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ，，邋（ｂ）邋ａｎｇｌｅ邋ｂｅｎｄｉｎｇ，邋（ｃ）邋ｄｉｈｅｄｒａｌ邋ｒｏｔａｔｉｏｎ，邋（ｄ）逡逑ｏｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ邋ｂｅｎｄｉｎｇ，邋ａｎｄ邋（ｅ）邋ｉｍｐｒｏｐｅｒ邋ｄｉｈｅｄｒａｌ邋ｔｏｒｓｉｏｎ逡逑每一種類型的力場都有多種對應(yīng)的函數(shù)可供選擇，以鍵角彎曲項為例列出不同形逡逑式的力場函數(shù)：逡逑①二次函數(shù)逡逑ｅ（０）邋＝邋ｋ（ｅ邋－邋ｅ０）２邐式（ｉ－ｉ）逡逑ｋ邋－鍵角彎曲的彈力常數(shù)；０，０。－鍵的瞬時鍵角及其平衡鍵角。逡逑？四次函數(shù)：逡逑Ｅ（６ｉｊｋ）邋＝邋ｋ２（０邋－邋０0）２邋＋邋ｋ３（０邋－邋０0）３邋＋邋ｋ４（０邋－邋０0）４邐式（１－２）逡逑ｋ２，邋ｋ３，邋ｋ４－鍵角彎曲的彈力常數(shù)。逡逑③連續(xù)的四次函數(shù)：逡逑—般，四次函數(shù)在０Ｑ二０，７１時一階導(dǎo)數(shù)不為零，若限制這兩個導(dǎo)數(shù)為零，ｋ３，ｋ４逡逑可由１＾２推導(dǎo)出。逡逑卜邋－邋３０ｏ（ｔｔ—０。產(chǎn)２，１＜４邋＿邋２０ｏ（Ｔｒ－０ｏ）ｋ２邋（０0邋＾邋°？邐邐式（１－３）逡逑Ｉ邐ｋ３邋＝邋ｋ４邋＝邋０邋（０0邋＝邋0
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

【參考文獻(xiàn)】

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1 張立群;王振華;吳友平;吳絲竹;;橡膠納米增強中的逾滲行為及其機理[J];合成橡膠工業(yè);2008年04期

本文編號：2606591