纳米塑料粒子在不同温度工况条件下的性能分析

张俐楠

摘 要：近年來，计算材料科学发展突飞猛进，利用计算机进行分子动力学模拟，进行新材料的设计也成为探索复合材料的主要方式。在本文中，提出利用纳米二氧化硅作为PMMA基体的增强体，从而克服PMMA力学性能不良的缺点;对纳米二氧化硅粒子进行表面改性，增强与PMMA基体的相容性，增大分子间作用力，进一步提高力学性能。本文主要使用分子动力学模拟的研究方法，对纯PMMA、PMMA/SiO2复合材料和PMMA/改性SiO2复合材料体系进行分子动力学模拟和力学模拟。

关键词：纳米粒子;复合材料;改性

1 绪论

纳米复合材料包含基体和增强体两部分，在增强体材料的选择上，至少要求其在三维结构中的某一维处于微纳米量级上[1]。按照增强体的维数来划分，可分为零维、一维、二维和分数维;按照增强体的三维结构来划分，可分为纳米粒子、纳米团簇、纳米纤维、纳米管和纳米层等。不同的应用场景对纳米粒子增强体的选用也有区别，根据与基体材料的结合方式、结合程度、分子间作用机理的不同，形成的复合材料性能也不相同。对于复合材料力学性能增强机理的研究，需要从不同尺度上进行研究，解决从分子尺度—微观尺度—宏观尺度之间机理的信息可传递性[2]，才能全面了解纳米复合材料的力学增强机理以及分子动力学模拟研究的适用性。近些年来，粒子凭借着小粒径、大比表面积、高稳定性和良好的相容性等特点备受研究人员关注。复合材料基体和增强体之间的复杂相互作用，让复合材料有着更好的性能与稳定性。经过不断地研究探索，该领域的学者研制出多种性能良好且应用广泛的复合材料[3，4]。

严苛的实验条件一般需要耗费巨大的科研成本和研究周期，仅仅通过实验手段已经不能满足目前的测试需求。随着计算机科学技术的不断发展，计算机运算能力的提升，利用分子动力学模拟对新材料的制备、测试模拟已经成为必不可少的手段。在计算机模拟测试过程中，通过控制各个变量可以较好的模拟真实的实验条件，对材料的性能进行有效预测。因此，分子动力学模拟也成为了模拟聚合物复合材料的一个重要手段。

2 建模

Yang等[5]使用分子动力学模拟对SiO2/聚酰亚胺复合材料进行接枝改性处理，经过接枝改性处理后的复合材料性能有大幅提升。研究表明，纳米粒子表面经接枝处理后，接枝基团与聚合物的大分子链相互缠结，提高了改性纳米粒子与聚合物基体的相容性，进一步增强了基体与增强体之间的相互作用，从而提高了复合材料的力学性能。但是，在Tinashe[6]的研究中，使用分子动力学模拟的方法建立了聚苯乙烯和纳米粒子的复合材料体系。结果表明，经过接枝改性处理后的复合材料，随着接枝率的上升，聚苯乙烯分子链的渗透性变差，最终复合材料的力学性能增强效果并没有达到预期效果。

3 结果与讨论

纳米SiO2粒子模型建立完成之后，将纳米粒子和PMMA分子链按照一定比例复制到一个晶胞内。待纳米粒子扩散模型建立完成之后，防止后续计算出现能量异常，需要进行几何优化，让体系能量处于最低状态。计算结果表明，随着二氧化硅粒径上升，扩散系数呈现逐渐降低的趋势，主要原因有两点：随着纳米粒子粒径的正大，PMMA分子链对粒子的热运动阻碍效果增强，导致粒子发生热扩散更加困难;根据阿伦尼乌斯对热扩散的解释，粒子直径越大，发生扩散所需的能量越高，这个能量也叫扩散激活能。所以，在相同的温度条件下，粒子直径越大，扩散系数越小。

随着温度上升，相同粒径的纳米粒子扩散系数逐渐变大，主要原因如下：随着温度的上升，纳米粒子与PMMA的热运动更加频繁，晶胞内部的真空区更加容易被填充，粒子发生扩散也随之更容易，导致扩散系数变大;根据阿伦尼乌斯理论，温度越高，提供给体系的能量越高，纳米粒子更容易突破发生扩散所需要的能量势垒，所以导致粒子扩散系数变大。

参考文献：

[1]任杰，刘艳，唐小真.聚合物基有机-无机纳米复合材料研究及应用前景[J].材料导报，2003（02）：58-62.

[2]刘军.弹性体基复合材料中纳米颗粒的扩散—分散—聚集、界面及力学增强机理的分子动力学模拟研究[D].北京化工大学，2011.

[3]Fragalà M E，Compagnini G，Malandrino G，et al.Silver nanoparticles dispersed in polyimide thin film matrix[J].European Physical Journal D，1999，9（1）：631-633.

[4]Birringer R，Gleiter H，Klein H P，et al.Nanocrystalline materials an approach to a novel solid structure with gas-like disorder？[J].Physics Letters A，1984，102（8）：365-369.

[5]Yang S，Choi J，Cho M.Elastic stiffness and filler size effect of covalently grafted nanosilica polyimide composites：molecular dynamics study[J].Acs Applied Materials & Interfaces，2012，4（9）：4792.

[6]Ndoro T V M，Voyiatzis E，Ghanbari A，et al.Interface of Grafted and Ungrafted Silica Nanoparticles with a Polystyrene Matrix：Atomistic Molecular Dynamics Simulations[J].Macromolecules，2011，44（7）：2316-2327.