PVC木塑复合材料的分子模拟

庞磊，陈华，欧阳司晨，徐伟，刘涛，阚国涛，高勇

(宜宾天亿新材料科技有限公司，四川 宜宾 644000)

木塑复合材料是用植物纤维增强改性塑料制成的材料，兼具了塑料和木材的性能高、成本低廉、环保(可回收利用)等优点[1]。植物纤维的主要成分是纤维素，而纤维素主要由葡萄糖单元组成。葡萄糖单元中含有大量的羟基，会形成分子间和分子内氢键，所以植物纤维具有强极性，因此弱极性的PVC与木粉之间的界面黏结力很小，相容性极差。当木粉填充量较高时，PVC木塑复合材料的力学性能下降，物料的流动性能和加工性能变差，混炼和挤出成型难度加大[2-3]。因此，根据市场需要，宜宾天亿新材料科技有限公司开发了一种适合高木粉填充的PVC共聚树脂，提高了木粉中纤维素与PVC的作用力，从而可提高产品中木粉的用量，增加产品的木质感，并且可提高产品的力学性能。

笔者采用耗散粒子动力学的方法模拟了PVC共聚树脂与木粉的相容及分布情况。

1 建立模型

1.1 耗散粒子动力学

传统的计算机模拟方法集中在分子/原子尺度和宏观尺度。基于研究原子和电子级的一些简单系统，量子力学和分子动力学方法是非常有效的，可以精确地计算原子和分子之间的相互作用，但计算量非常大[4-5]。Hoogerbrugge 和 Koelman在1992 年首次提出了耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics，DPD)，其可以用来模拟复杂流体的动力学现象[6]。它的基本思想就是用一个“珠子”代替分子流体中的一团物质或者部分基团，珠子的运动速度、位置和轨迹符合牛顿运动方程。因此，它能够在更长的时间尺度和更大的空间尺度上对复杂体系进行模拟，同时在粗粒化过程中系统内在的性质却没有改变[7]。

1.2 球棒模型的建立

在 DPD 方法中，首先要对体系的分子进行粗粒化，即将分子中的一部分基团或原子用一个珠子代替，尽可能用相对简单的结构代替原来的分子，并保持分子的特征不改变。笔者对PVC木塑复合材料的粗粒化结果为：a代表硬脂酸，b代表有机锡稳定剂，c代表ACR，d代表木粉，e代表PVC共聚树脂。

模拟基本配方：PVC共聚树脂，100份；木粉，变量；有机锡稳定剂，2份；ACR，5份；硬脂酸，1.5份。

对各组分的粗粒化完成后，计算各珠子间的相互作用参数，弹性常数设定为C=4。用 Materials Studio 软件的 DPD 模块进行模拟计算，每一个计算都进行 20 000步，其步长为0.05 ns。用 Materials Studio 软件中 Synthia 模块在 Compass力场下计算以及查阅高分子手册得出各珠子(重复单元)在300 K温度下的溶解度参数。各珠子的 Flory-Huggins 参数见表1。

表1 各珠子的Flory-Huggins参数

2 DPD模拟

根据上述参数，进行了不同木粉含量(质量分数，下同)下的PVC木塑复合材料的模拟计算，结果见图1。图1中左边的图片为整个PVC木塑复合材料的组分分布，右边的图片为除去PVC后其他组分的分布。模拟计算配方：PVC共聚树脂100份，木粉变量，稳定剂2份，ACR 5份，硬脂酸1.5份。

(a)30%

(b)40%

(c)50%

(d)60%

(e)70%

由图1可知：木粉含量为30%～40%时，其呈球状的分布状态，几乎完全被包覆于材料内部；木粉含量为50%时，其呈纤维状分布状态，有部分裸露在材料表面，这样的结构可以增加材料纵向上的力学性能；木粉含量为60%时，其在材料中呈互穿网络的结构，可使材料各个方向的力学性能都得以提升；木粉含量为70%时，其与PVC基体两相分离，会导致材料的力学性能急速下降。

3 验证试验

3.1 主要原料

PVC共聚树脂，宜宾天原集团股份有限公司；其他助剂，市售。

3.2 仪器与设备

电子万能试验机，WDT-W-100KN，承德市精密试验机有限公司；冲击试验机，XJC-500，承德市精密试验机有限公司；哑铃型制样机，XYZ-70，承德市金建检测仪器有限公司；缺口制样机，QKD-V，承德市精密试验机有限公司；双辊开炼机，X(S)K，上海双翼橡塑机械有限公司；平板硫化机，XH-406B，东莞市锡华精密检测仪器有限公司。

3.3 制样

样品配方与模拟计算配方相同。按配方称量物料，先通过双辊开炼机塑化及分散，前后辊温度设定为180 ℃，辊速为40 r/min；再经过平板硫化机硫化制片，硫化温度设定为175 ℃，热压时间设定为5 min，冷压时间设定为2 min。样片通过专用制样工具裁剪成测试样条，静置48 h后进行力学性能检测。

3.4 测试标准

拉伸强度和断裂伸长率按照GB/T 1040—1992《塑料拉伸性能试验方法》进行测试。

悬臂梁缺口冲击强度按照GB/T 1843—1996《塑料悬臂梁冲击试验方法》进行测试。

弯曲强度与弯曲模量按照GB/T 9341—2000《塑料弯曲性能试验方法》进行测试。

4 结果与讨论

4.1 木粉含量对PVC木塑复合材料拉伸性能的影响

木粉含量对PVC木塑复合材料拉伸性能的影响见表2。

表2 木粉含量对PVC木塑复合材料拉伸性能的影响

由表2可知：随着木粉含量的增加，PVC木塑复合材料的拉伸强度先逐渐提高，这是因为木粉在PVC木塑复合材料中以纤维状自组装，而PVC通过共聚改性提高了其与木粉之间的相容性，木粉在复合材料中更容易分散，起到了很好的增强作用。当木粉含量为60%时，PVC木塑复合材料的拉伸强度达到最大值99 MPa。当木粉含量继续增加到70%时，PVC木塑复合材料的拉伸强度降低到了65 MPa，这是因为此时木粉含量过多，PVC相与木粉相开始分层，导致拉伸强度降低。表1中拉伸强度的变化规律与图1吻合。

4.2 木粉含量对PVC木塑复合材料冲击强度的影响

木粉含量对PVC木塑复合材料冲击强度的影响见表3。

表3 木粉含量对PVC木塑复合材料冲击强度的影响

由表3可见：随着木粉含量的增加，PVC木塑复合材料的冲击强度先逐渐提高，主要原因是木粉降低了冲击产生银纹断裂的概率；当木粉含量增加至70%时，木粉含量过多，产生团聚，在冲击过程中团聚的位置容易形成力学缺陷，导致冲击强度急剧下降。 表2中冲击强度的变化规律也与图1吻合。

4.3 木粉含量对PVC木塑复合材料弯曲性能的影响

木粉含量对PVC木塑复合材料弯曲性能的影响见表4。

表4 木粉含量对PVC木塑复合材料弯曲性能的影响

由表4可知：随着木粉含量的增加，PVC木塑复合材料的弯曲性能先逐渐提高，主要原因为纤维状态的木粉起到了增强作用；当木粉含量增加至70%时，木粉含量过多，PVC相与木粉相分层导致弯曲性能下降。表3中弯曲性能的变化规律也与图1吻合。

5 结语

采用DPD方法模拟了PVC共聚树脂与木粉的相容及分布情况，在介观尺度模拟了木粉在材料中的聚集状态，根据模拟结果预测不同木粉用量下材料的力学性能，并通过试验进行了验证。结果表明：通过DPD方法能很好地预测木粉含量对PVC木塑复合材料力学性能的影响，可以为材料的配方优化设计提供理论依据，缩短试验时间，降低试验成本。