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功能化石墨烯/聚合物体系的分子间相互作用力的分子动力学模拟研究

周登山  
【摘要】: 一个原子厚度、sp2杂化的二维层状石墨烯具有一系列不寻常的力、热和电学性质。石墨烯独特的力学性质已经吸引许多国际研究组织用它来进行加强材料的研究。本论文利用基于COMPASS力场的分子动力学模拟研究石墨烯和不同聚合物分子间的相互作用。文中研究了聚合物结构、构型及石墨烯宽度对聚合物结合的影响,此外,考察了聚合物链交叉耦合功能化石墨烯的模拟。 模拟结果表明,石墨烯/聚合物体系的相互作用能不仅与聚合物的单体结构有关,与其构型也有密切关系。芳香环聚砒咯和聚酰亚胺与石墨烯具有强的相互作用,π?π键相互作用是强相互作用的根本原因;与碳纳米管和石墨烯发生相互作用时,螺旋结构的聚苯乙炔(PPA)为了维持其原来螺旋状的分子构型,分别与碳纳米管和石墨烯形成包覆和包裹吸附。此外,模拟结果显示,石墨烯/聚合物体系的相互作用能与石墨烯的宽度有着一定的依赖关系。对聚砒咯/聚酰亚胺而言,当石墨烯宽度小于2 nm时,相互作用能随宽度的增加而增强并在2 nm处达到最大,此后,相互作用能随石墨烯宽度的增加而减小;对于聚甲基丙烯酸甲酯分子,当宽度小于3 nm时,体系的相互作用能与宽度成正比并在3 nm处取最大值,此后,相互作用能与石墨烯宽度成反比;对聚乙烯/石墨烯体系而言,体系的相互作用能对石墨烯宽度没有明显的依赖。因此,对于不同原子数目、不同分子结构的聚合物与石墨烯发生相互作用时,将存在一个最佳宽度的石墨烯。 本论文的模拟结果还表明,功能化石墨烯的不平坦的官能团平面可能会与聚合物间形成交叉耦合相互作用。那样的话,当外力作用于模拟体系时,起起伏伏的官能团平面将会对聚合物分子有一个力的作用,这个力将阻碍体系的相互作用物质的彼此分开。因此,如果使用带有适当官能团的功能化石墨烯与聚合物形成强的界面结合,那么有理由相信,合成的纳米复合物应具有高的力学性能。


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