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交联环氧树脂的分子模拟研究

吴超富  
【摘要】: 交联环氧树脂具有许多优良的热力学性能,已经作为涂料、交联剂、复合材料等用于电子电工、交通运输、航空航天等诸多领域。分子模拟方法是一类重要的新型研究方法,它能够提供关于分子系统详细的结构、相互作用以及运动行为的信息。本论文应用分子模拟方法较为系统地研究了一个典型的交联环氧树脂的结构和性质。 与线型聚合物相比,交联环氧树脂的结构复杂得多,给详细的实验表征造成了很大的困难。分子模拟方法因为能够对所用的模型提供完全的控制,在结构表征方面可能提供必要的帮助。本论文提出了一种建立复杂聚合物网络模型的新算法。这个新算法主要基于简单的DREIDING2.21力场运用分子力学和分子动力学模拟过程,在近邻反应近似下动态地形成网络。与类似的建模方法相比,它具有灵活高速的特点。将其应用到异佛尔酮二胺固化双酚A二缩水甘油醚得到的聚合物,产生了一个高度交联无限扩展的聚合物网络模型,其反应转变率达到了93.7%。通过使用交替的分子动力学和分子力学获得了该模型系统的稳定构型。当使用COMPASS力场时,分子力学计算的密度、弹性常数等静态性质与相应的实验数据相吻合,一定程度表明所提出的模型和算法是有效的。 为揭示分子系统更真实的情况,在八个温度(包括玻璃态区和橡胶态区)下对前面建立的分子模型进行了一个两阶段分子动力学模拟。结果表明,虽然逐步冷却的恒温恒压分子动力学模拟过程可以重现玻璃态区的实验密度和体积膨胀系数,但是不能重现橡胶态的实验密度和体积膨胀系数,因而从这个过程也不能确定该聚合物材料的玻璃化转变温度。这可能主要是由模型高度交联无限扩展的特征引起的。当选择各个温度下三维周期盒子尺寸对应于实验密度的构型时,接下来几个纳秒的恒温恒容分子动力学模拟呈现了一些有趣的局部结构和短期动力学特征:径向分布函数和二面角分布函数在玻璃态比在橡胶态具有更多的结构特征;该聚合物网络反映了与线型聚合物不同的玻璃化转变机理,如在发生玻璃化转变时起决定作用的是非键相互作用和交联点的运动;交联间链段的重定向运动也反映了玻璃化转变的特征。 尽管交联环氧树脂具有许多优良的热力学性质,但由于这类聚合物通常在潮湿的环境中使用易于吸收水分,使得这些性质将会大大降级。为从分子水平考察水分对于该环氧-胺聚合物网络结构与性质的影响,本论文在前面建立的分子模型的基础上还建立了四个含不同水浓度的湿网络模型,并对这些模型系统进行了系列的分子动力学模拟。该模拟的主要发现是水对该聚合物网络的影响是非单调的:较多的水分可能导致聚合物网络的塑化,如系统的密度降低、自由体积分率增加、局部链运动加快;但是当吸收较少的水分时,这些性质可能得到一定的增强。这些结果进一步可以用系统中存在的各种氢键相互作用加以解释。模拟的结果也表明:水分子倾向于在网络链极性基团附近运动,水分浓度越大越容易成簇,其扩散系数随着水分浓度的增加而增加。 一般地,模拟的结果与通常的实验观察以及相关的理论是定性相关的,这表明以上的分子模拟研究取得了初步的成功。从长远看,分子模拟方法对于理解这类复杂聚合物的结构-性质关系非常主要。当计算机硬件和软件技术不断进步以及分子模拟的模型和算法不断改进,这些分子模拟方法可能准确地预测未知交联环氧树脂的性质,因而真正实现环氧树脂产品分子水平的设计。


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