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交联环氧树脂TGDDM结构与性能的分子动力学模拟

刘伟帅  
【摘要】:热固性环氧树脂因其优良的力学性能和热稳定性被广泛地应用于交通、机械、集成电路等领域。随着航空航天工业的快速发展,对环氧树脂性能提出了更高的要求,许多研究者致力于改进已有的环氧树脂、固化剂及其固化配方。本文以环氧树脂4,4-二氨基二苯甲烷四缩水甘油醚(TGDDM)为研究对象,采用分子动力学(MD)研究了交联度、固化剂类型、碳纳米管以及碳纳米管的官能化处理对交联环氧树脂结构与性能的影响,以期为交联环氧树脂的配方设计提供理论预测与指导。本文首先开发了能实现环氧树脂与胺类固化剂动态交联反应以及模拟降温的perl脚本程序,并在Material Studio软件下构建了相应的操作界面,然后将脚本应用到环氧树脂TGDDM和固化剂4,4-二氨基二苯砜(DDS)体系中,分析了不同交联度下TGDDM/DDS体系结构与性能之间的关系。结果表明,体系的密度(ρ)、玻璃化转变温度(Tg)、弹性模量均随着交联度的增大而增大;体系的总能量、键角能、二面角能随交联度增大而减小,非键作用能、范德华力和静电作用力随着交联度增大而增大;均方位移(MSD)和自由体积的大小可以反映体系中分子链段的运动能力,随着交联度的增大,体系中分子链段的MSD减小,自由体积先减小后增大,交联反应使得体系的小分子形成了网状结构,阻碍了分子链段的运动,使得体系分子链段整体运动能力下降。以2,4-二氨基二苯甲烷(DDM),间苯二胺(MPD),二乙基甲苯二胺(DETDA)三种固化剂对TGDDM进行交联反应,并与TGDDM/DDS体系进行了对比,分析了固化剂分子结构特征对交联环氧树脂结构与性能的影响。结果表明,四个体系的弹性模量值最大的为DDS体系,最小的为DETDA体系;四个体系的Tg大小关系和弹性模量值一致,大小关系为DDSMPDDDMDETDA;采用MSD和自由体积分数分析了体系分子链段运动能力;采用内聚能密度(CED)分析了分子间作用力与Tg的关系,CED越大,体系的Tg越高;分析了四个体系的力学性能随温度的变化情况,结果表明体系的弹性模量随温度升高均出现减小趋势,DDS和MPD体系在温度达到600 K时仍保持了较高的弹性模量值。分析了填料单壁碳纳米管(SWCNTs)和官能化处理的单壁碳纳米管(FSWCNTs)对环氧树脂体系性能与结构的影响。结果表明SWCNTs的加入使得体系的Tg升高了近20 K,FSWCNTs填料体系的力学性能优于纯环氧树脂体系;但在本文的模拟中,SWCNTs的加入并没能使得体系的力学性能得到明显提升,FSWCNTs填料体系没有在300 K-600K温度范围内观察到明显的玻璃化转变现象;填料的加入使得体系的自由体积分数减小。分析了温度对两个填料体系力学性能的影响,结果表明两个填料体系的弹性模量均随着温度的升高而减小,FSWCNTs体系在温度为600 K时依然能保持较高的模量值。


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