聚合物結(jié)晶與導(dǎo)熱性能的分子模擬研究.pdf

1、高分子材料在電子、工程、機(jī)械等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。然而，高分子材料較差的導(dǎo)熱性能，限制了其在熱管理材料領(lǐng)域的應(yīng)用。高分子本體的導(dǎo)熱率只有0.1-1W/mK，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陶瓷和金屬材料。通過加入導(dǎo)熱填料可以有效提高復(fù)合體系的導(dǎo)熱性能，然而填充型高分子復(fù)合材料的有機(jī)-無(wú)機(jī)界面嚴(yán)重影響材料的機(jī)械力學(xué)性能。隨著電子信息和新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如何綜合提高高分子材料的導(dǎo)熱和機(jī)械力學(xué)性能成為高分子研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。高分子的物理性能與其微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切

2、。高分子體系中晶體的尺寸和取向、導(dǎo)熱填料與基體的復(fù)合狀態(tài)、填料顆粒之間的物理/比學(xué)鍵合等因素對(duì)材料的性能有重要的影響。本文采用計(jì)算機(jī)模擬方法研究了聚合物結(jié)晶、導(dǎo)熱性能和聚合物交聯(lián)納米顆粒的影響因素和體系微觀結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的演變規(guī)律。
　　本研究首先采用分子動(dòng)力學(xué)的方法模擬了聚乙烯體系和聚乙烯/氮化硼復(fù)合體系導(dǎo)熱率隨拉伸作用的變化。采用非平衡分子動(dòng)力學(xué)（nonequilibrium moleculardynamics，NEMD）方法測(cè)定

3、了聚合物體系導(dǎo)熱率與拉伸形變、拉伸速率、溫度、分子摩爾質(zhì)量的關(guān)系。結(jié)果表明:對(duì)于純聚乙烯體系，拉伸作用通過改變分子的取向結(jié)構(gòu)來達(dá)到提升導(dǎo)熱率的效果。隨著拉伸作用的進(jìn)行，分子由無(wú)序混亂的狀態(tài)達(dá)到沿拉伸方向高度有序的晶體結(jié)構(gòu)，使得熱量在傳遞過程中沿分子鏈傳遞大于分子間傳遞，大大提高了導(dǎo)熱效率。拉伸速率、溫度、聚乙烯分子的分子質(zhì)量都會(huì)影響取向結(jié)構(gòu)，達(dá)到相同的形變條件時(shí)拉伸速率越小分子的取向率越高;溫度也影響著拉伸取向的速率，對(duì)應(yīng)不同的拉伸速率

4、，溫度的效果不一樣;分子的大小同樣影響聚合物的導(dǎo)熱速率，在相同的取向條件下，分子摩爾質(zhì)量越大聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)越高。對(duì)于聚乙烯氮化硼復(fù)合體系，氮化硼片層由于自身的性質(zhì)使其誘導(dǎo)聚乙烯分子形成了有序結(jié)構(gòu)同樣提升了聚合物的導(dǎo)熱率。納米添加劑的作用不僅僅是利用自身高導(dǎo)熱的性質(zhì)在聚合物體系中形成導(dǎo)熱通路來提高材料導(dǎo)熱率，其與聚合物材料間的相互作用改變聚合物的結(jié)構(gòu)也是提升材料導(dǎo)熱性能的一個(gè)重要影響因素。然后研究了兩種不同構(gòu)型氮化硼納米材料對(duì)于聚合物結(jié)

5、晶的影響。熔體條件下，通過對(duì)聚乙烯分子結(jié)晶過程中晶體構(gòu)象的演變、空間內(nèi)分子分布的變化以及分子擴(kuò)散特性的研究，結(jié)果表明氮化硼納米管誘導(dǎo)PE烷烴分子結(jié)晶的速率明顯要比氮化硼片層的快。納米材料由于自身維度的不同，誘導(dǎo)結(jié)晶的能力也不同，氮化硼納米結(jié)構(gòu)的曲率半徑會(huì)影響聚合物在其表面結(jié)晶的速率。構(gòu)象演變過程和鍵取向參數(shù)的變化表明，使氮化硼片層誘導(dǎo)結(jié)晶能力低于氮化硼納米管的原因是PE分子在氮化硼表面的多重的取向，而PE分子在氮化硼納米管表面的取向均是

6、沿著納米管軸向方向，說明納米材料維度是影響聚合物結(jié)晶的重要影響因素。最后采用DPD方法討論一種納米填料納米鏈合成的影響因素，通過對(duì)表面接枝納米顆粒在溶液中的成鍵反應(yīng)，系統(tǒng)地研究了反應(yīng)的影響因素?？紤]了接枝鏈的長(zhǎng)度(從30到90)和接枝密度從低到高（0.04至0.16）和接枝鏈的剛性。確定了納米顆粒間成鍵率與接枝鏈長(zhǎng)度、接枝密度、接枝鏈剛度、濃度的關(guān)系。結(jié)果證明，控制納米粒子的接枝鏈的長(zhǎng)度是最有效的方法，接枝鏈的長(zhǎng)度存在一個(gè)最優(yōu)值，在不同