单个纳米粒子对聚合物结晶行为的影响-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 13 (2014) 136102 单个纳米粒子对聚合物结晶行为的影响∗ 段芳莉 王源 (重庆大学机械传动国家重点实验室, 重庆 400030) ( 2013 年12 月13 日收到; 2014 年3 月25 日收到修改稿) 采用粗粒化模型, 应用分子动力学方法研究了单个纳米粒子对聚合物结晶行为的影响. 通过改变纳米粒 子与聚合物单体之间作用方式(吸引作用或排斥作用)、纳米粒子与聚合物单体之间作用强度和聚合物分子链 的长度, 计算整个系统和局部区域的有序参数, 研究了三个不同因素下纳米粒子对聚合物结晶行为的不同影 响. 研究表明, 在聚合物基体中添加单个纳米粒子, 纳米粒子对整个系统的结晶影响不明显, 但是纳米粒子对 其周围聚合物单体的结晶存在局部强化作用. 当纳米粒子与聚合物单体之间为吸引作用且作用强度较大时, 纳米粒子对聚合物结晶表现出明显的局部强化作用, 聚合物分子链长度也有着一定的影响, 在较大吸引作用 强度下, 长链样本比短链样本有着更为显著的局部强化作用. 关键词: 纳米粒子/聚合物系统, 半晶态, 结晶行为, 分子动力学模拟 PACS: 61.25.hk, 62.23.Pq, 64.70.km DOI: 10.7498/aps.63.136102 温度和结晶度也随之增加, 结晶度增加10% 左右, 1 引 言 而随着降温速率的增加结晶温度和玻璃化转变温 度随之降低. 纳米粒子与聚合物单体间的相互作用 在聚合物中添加一定量的纳米粒子, 形成的 强度对玻璃化转变温度也存在着影响78 , 较大的 纳米复合材料可以显著的提高聚合物材料的力学、 吸引作用可以增大玻璃化转变温度, 而排斥作用可 电学和光学性能, 聚合物纳米复合材料被广泛应 以减小玻璃化转变温度. 其中, 纳米粒子的几何形 用于作为结构和功能材料. 但是, 纳米粒子对聚合 状911 、其在聚合物基体内的聚集分散程度, 以及 物材料结构的影响、复合材料结构与性能的关系, 纳米粒子与聚合物分子间的相互作用, 是决定纳米 以及各种性能的强化机理的研究仍然具有很大的 挑战性1 . 复合材料结构和性能的主要影响因素. 但是, 现有 半晶态聚合物具有微小晶域和微小非晶域相 实验手段一般只能给出宏观尺度的行为和现象, 例 互参杂共存的结构形态, 这是由于聚合物分子链能 如结晶温度和结晶度的改变, 尚难以观测发生在微 够形成部分结晶, 但较长分子链导致的较长弛豫时 观尺度的行为与现象, 例如纳米粒子表面附近聚合 间, 使其不能完全结晶, 从而形成半晶态结构. 在 物分子链的结构和形态. 尽管这种表界面结构的几 半晶态聚合物中添加纳米粒子, 将可能改变半晶态 何尺寸很小, 但它们有可能对材料性能产生决定性 聚合物的结晶行为, 同时纳米粒子表面将影响到其 的影响. 周围的聚合物分子链的构型, 这些都可能导致纳米 应用分子动力学模拟, 关于纳米粒子对非晶 粒子对半晶态聚合物结构的显著改变. 已有实验研 态聚合物结构和性能的影响,