接枝密度的影响在聚合物链的结晶行为嫁接到一维奈米棒

文摘

5聚合物链系统的结晶行为,嫁接奈米棒和相应的接枝密度的影响进行了动态蒙特卡洛模拟。段密度界面附近区域,微晶的数量,和均方回转半径( )提高嫁接密度增加,有利于增强可结晶性。与此同时,晶体形态深受嫁接密度和polymer-nanorod交互。移植系统与52链,nanohybrid羊肉串(NHSK)结构形成,当polymer-nanorod互动(E_b/E_c)是-0.4。128年系统链,NHSK结构形成,当E_b/E_c是-1.0。252年系统链,NHSK结构不能形成。这项工作的结果可以为设计提供重要的理论参考,聚合物纳米复合材料的制备和应用程序。

1。介绍

之前报道,复合材料的物理性能,如弹性模量、抗拉强度和导电率,可以显著提高填料添加到聚合物(1- - - - - -7]。铝氧化物、碳纳米管、硅颗粒和石墨烯是常用的纳米填料,可显著改变聚合物纳米复合材料的结晶形态,从而进一步导致力学性能的改进(8- - - - - -14]。应该注意的是,聚合物和填料之间的相互作用是重要的聚合物纳米复合材料的结晶15,16]。一般来说,如果弱polymer-filler聚合物之间存在相互作用和nanofillers nanofillers的色散和聚合物纳米复合材料的力学性能会差(17]。相反,相对强劲的polymer-filler交互也可能导致nanofillers良好的分散和优良的机械性能(18]。因此,现在,研究人员正试图接枝聚合物链上填料提高polymer-filler互动(19- - - - - -23]。例如,燕等人接枝聚酰胺1010碳纳米管,发现碳纳米管的分散是大大提高(24]。门敏等人准备聚亚苯基硫醚)-graft-carbon纳米管,发现导电性、可分散性,甚至melt-processability改善(25]。吴等人在碳纳米管接枝聚乙烯,发现相应的纳米复合材料的力学性能改善(26]。

Nanofillers在聚合物基质可以作为聚合物结晶的成核剂,增强成核的能力(25- - - - - -28]。显然,接枝聚合物的结晶过程系统可以影响由于嫁接点,极限运动的链头,影响成核的能力。Jana et al。23和周et al。29日]探索聚的结晶过程ε己内酯)-grafted-carbon纳米管。他们都发现碳纳米管引起接枝聚合物链的异相成核。以前,我们研究了聚合物链的结晶过程嫁接二维填充和观察到的异相成核与高接枝密度不发生在任何polymer-filler交互,因为接枝链的拥挤效应(30.]。此外,一些组观察到填料的尺寸严重影响聚合物的结晶形态。例如,李等人观察到的外观nanohybrid羊肉串(NHSK)结构在实验31日]。周等人研究了结晶过程中聚ε己内酯)-graft-carbon纳米管但没有观察到NHSK结构形成(29日]。

简而言之,聚合物链的存在接枝在nanofillers可以显著改变相应的聚合物的结晶行为,导致显著的强化效果。事实上,建立微观结构和宏观物理性质之间的关系一直是一个材料科学领域的核心任务。因此,为了准备高性能聚合物纳米复合材料或有效地调节聚合物纳米复合材料的物理性质,接枝聚合物的结晶的微观机制必须首先显示。然而,到目前为止,一些实验研究接枝聚合物的结晶过程的微观机理的报告。

幸运的是,计算机模拟可以补充实验和理论工作的缺点在接枝聚合物的结晶过程的研究,可以进一步用来解决许多领域的基本问题提出了高分子材料以及相关的重要技术问题处理的新型聚合物材料(32- - - - - -36]。许多团体研究聚合物结晶行为的系统仿真(37- - - - - -39]。在这项工作中,我们进一步探讨了结晶过程的微观机理的聚合物接枝在一维奈米棒和调查的影响嫁接密度和polymer-nanorod交互相应的结晶行为。

2。模拟的细节

蒙特卡罗模拟(30.,32- - - - - -36,40- - - - - -43)被用来研究接枝聚合物的结晶行为系统。应该注意的是,动态蒙特卡罗模拟是研究聚合物结晶的一种证明方法。胡锦涛等人利用蒙特卡罗模拟来研究聚合物结晶行为的不同的主题,如应变或shear-induced聚合物结晶(40,41],共聚物结晶[44,45],chain-folding过程中聚合物结晶(46]。以前,我们组也应用蒙特卡罗模拟来揭示聚合物结晶行为的微观机制47- - - - - -49]。一盒有64³立方格子构造,一维奈米棒的长度、宽度、厚度和各自的64,2和2格子中间的框,其长轴沿X设在,表现出图1(一)。然后,聚合物链与31段嫁接在四侧表面。图1 (b)显示了一个奈米棒垂直于横截面X设在。可以看出,四种典型的接枝链上接枝四侧表面,和绿色球体代表单体单位直接嫁接在奈米棒。为了探索嫁接密度对结晶过程的影响,模拟进行了系统与52岁,64年,84年,128年和252年的接枝聚合物链,分别。相应地,五个系统的接枝密度是0.10,0.12,0.16,0.25和0.49。图2描述了接枝点的位置分布的五个系统52 (a), 64 (b), 84 (c), 128 (d)和252 (e)接枝聚合物链,分别。为简单起见,只有部分的一维奈米棒图2,虚线区域代表。在仿真过程中,一个格子只能被奈米棒的一段或一个格点。债券连接由两个附近的片段,这是面向沿晶格轴或对角线。因此,一个段站点的配位数是26。聚合物链的基础上可以移动microrelaxation模型(35,36]。换句话说,一个段可以从一个晶格跳到一个相邻空置沿着聚合物链网站或幻灯片。此外,在奈米棒直接嫁接的部分不允许在模拟移动。此外,采用周期性边界条件。

传统的大都市抽样算法用于每一步microrelaxation势能的惩罚 E_c是势能变化由于连续一个noncollinear连接债券沿着链,可以反映链的柔软,E_p两个相邻的债券之间的相互作用能参数,代表能量的增加引起的两个相邻的非平行安排债券(50,51),E_b之间的界面相互作用能奈米棒和最近邻段(44),Δc和Δp变化的数量相应noncollinear构象和非平行安排相邻的债券采样前后的模拟,和Δ吗b是最近邻的净变化segment-nanorod对。E_p/E_c是设置为132,33),而kT/E_c是表示模拟温度,进一步写成T 在以下部分中。polymer-nanorod互动的比例可能noncollinear潜力(E_b/E_c)被设置为0,-0.1,-0.2,-0.3,-0.4,和-1.0探索polymer-nanorod交互对结晶过程的影响的系统。

最初的聚合物链是放松10⁶蒙特卡罗(MC)周期来获得平衡无定形状态在一个非常高的温度。在这里,一个MC周期表示步骤,所有的单体有一个移动的机会。如图3放松后,聚合物链已经进化到随机线圈状态。随后,随机线圈是淬火模拟温度T = 2.3。

3所示。结果与讨论

接枝密度的影响接枝聚合物结晶行为的系统没有polymer-nanorod交互的首次研究。图4揭示了结晶度的五个系统的演进与不同的等温结晶过程中接枝密度。结晶度的定义是水晶的比例债券(债券超过五并行邻居)在所有债券。如图4后,成核诱导期(在相应的结晶度几乎为零),立即结晶度上升的值,然后趋于稳定。此外,该系统最终结晶度更高的接枝密度越高。52聚合物链的接枝体系的结晶度几乎是零,表明结晶并没有出现在这个系统。它也可以清楚地看到,随着接枝密度增加,接枝聚合物的成核诱导期系统变得更短。周等人准备聚ε己内酯)-graft-carbon纳米管和观察到较大的成核效应存在于聚合物接枝密度较高(50]。此外,更高的接枝密度会导致更高的最终结晶度嫁接系统(50]。这些结论是依照我们的仿真结果。接枝密度的增加会导致段的数量的增加。然后在更高的接枝密度系统,更多的晶体核可以出现在晶体成核,和更多的片段可以参加随后的晶体生长的过程,最终导致更高的结晶度。在下面几节中,我们关注的是在结晶过程中聚合物链的微观结构的变化对不同接枝系统。

段在界面区域的密度可以影响聚合物结晶过程。这里,界面区域被视为第一层奈米棒,和段密度的定义在地表附近地区的比例是表面区域附近的段数格子的总数在地表附近层。纽曼聚合物的混合系统和奈米棒,奈米棒可能限制聚合物链的构象在奈米棒表面,导致构象熵减少。结果,段附近的填料表面将倾向于走向外部区域,从而减少段密度界面区域。然而,这种情况的出现可以避免在嫁接系统。接枝链段运动的强行克制的嫁接点,防止填料表面的接枝链远离。图5显示了段密度表面附近区域的系统与52岁,64年,84年,128年和252年的聚合物链,分别。链段密度增加而增加的数字。一般来说,段密度较高的系统通常有更高的过冷度和更高的熔点。然后,临界成核自由能量势垒较低(51]。换句话说,系统具有更高的能力成核链数量可以增强,导致成核时间越短,如图4。类似的现象也在实验观察到聚合物接枝石墨烯(52和碳纳米管21]。

链构象也会影响聚合物晶体成核过程的经典晶体成核理论(51,53]。接枝点的存在引发接枝聚合物链的构象变化。参数,均方回转半径 ,可以描述聚合物链的构象。图6显示 之前的五个放松系统结晶过程,分别。虽然聚合物链的长度是相同的 仍然嫁接密度增加而增加,这意味着链构象更扩展更高的接枝密度由于拥挤效应越强。许等人研究了聚ε己内酯)-g-carbon纳米管具有高接枝密度和确实发现接枝聚合物链过度拥挤和高度扩展(50]。拥挤效应导致的损失构象熵和熔点的增加。为了揭示嫁接密度对熔点的影响,为接枝聚合物结晶度系统的演进与64年,84年、128年和252年加热过程中聚合物链如图7。为了得到熔化温度,平衡融化的四个嫁接系统冷却的冷却速率0.01单位T 从每500 MC周期T = 5.0到1.0。之后,系统被加热T = 1.0到5.0。在图7熔化温度( )结晶度时温度是零。结果表明,融化温度随着接枝密度的增加而增加。总之,接枝密度的增加导致熔化温度的显著改善,证明热力学效应占主导地位。

图8(一个)显示了各自系统的初始晶体形态与64年,84年,分别为128年和252年的聚合物链。四个系统,最初的水晶茎是倾向于奈米棒的长轴垂直。图8 (b)显示相应的结晶形态在300000 MC周期。最初的小雏晶逐渐成长为大晶体。结果表明,水晶茎64连锁系统(低接枝密度)是面向垂直于长轴的奈米棒。随着接枝密度的增加,晶体的数量增加,这表明更多的部分可以参与结晶。因此,系统有更高的接枝密度的终极结晶度越高,如图4。此外,系统与嫁接密度高的晶体连锁(128和252)表现出不同的方向,但没有结晶茎沿长轴方向的奈米棒可以观察到。这些现象可以归因于小奈米棒的横向尺寸和接枝点的分布。如图2,嫁接点沿长轴一致的奈米棒,然后沿长轴段的排列奈米棒将阻碍由于拥挤效应。因此,没有面向水晶茎沿长轴可以观察到在这些植入系统。此外,需要注意的是,没有NHSK结构可以观察到这些接枝系统不同的嫁接密度没有polymer-nanorod交互。在碳纳米管接枝PCL实验,徐等人观察结晶后短棒晶体结构的形成。这个结果符合我们当前的发现(没有找到NHSK结构)50]。以前,我们研究了衬底(嫁接上链的结晶过程30.]。水晶形态非常受接枝密度的变化的影响。晶体取向的改变源于平行方向垂直于衬底,随着接枝密度的增加(30.]。

聚合物/奈米棒混合,一些组织报道,碳纳米管可以导致实验[NHSK结构的形成31日,54,55]。通过计算机模拟,胡锦涛等人发现,一个对齐链会导致烤肉串的形成(45]。polymer-nanorod移植系统,我们进一步研究了接枝密度和polymer-nanorod交互影响接枝聚合物的结晶形态。从图8 (b)我们得出的结论是,面向水晶茎沿长轴的奈米棒不能形成,当聚合物之间的相互作用和奈米棒是不考虑。此外,发现polymer-nanorod交互的影响,水晶形态在300000 MC周期为三个接枝聚合物系统包含52岁,128年和252年连锁与指定polymer-nanorod交互如图9。接枝聚合物系统与52链(图9(一个)),结晶不发生,当不存在界面相互作用(E_b/E_c= 0),微晶与啤酒出现在系统界面交互(E_b/E_c= -0.1,-0.2,-0.3,-0.4,-1.0),表明polymer-nanorod交互的改善有利于接枝聚合物的结晶。此外,增加polymer-nanorod交互会导致结晶形态的变化。时的值E_b/E_c是-0.2或-0.3,水晶茎在东方一些晶体开始沿奈米棒的长轴。当polymer-nanorod互动进一步增加E_b/E_c= -0.4和-1.0,所有的水晶茎表现出均匀的沿长轴方向的奈米棒,和典型的NHSK结构出现。

然而,polymer-nanorod相互作用对晶体形态的影响连锁系统与128有点不同的系统与52链。如图9 (b),水晶茎往往是垂直于长轴的奈米棒,什么时候E_b/E_c是0。当E_b/E_c= -0.1,-0.2,-0.3,-0.4(高polymer-nanorod交互),水晶茎在某些晶体开始安排与奈米棒的长轴平行。所有晶体显示均匀沿长轴方向的奈米棒(NHSK结构出现),当时的价值E_b/E_c是-1.0。换句话说,NHSK结构系统与嫁接密度下形成高polymer-nanorod交互。

系统以252聚合物链(图9 (c)),没有完美的NHSK结构形成的条件与不同polymer-nanorod交互。这种现象可以归因于高接枝密度和强大的聚集效应。由于强大的聚集效应,连锁被迫“站”奈米棒表面的取向往往是垂直于长轴的奈米棒,所显示的最大的价值 与252年的系统连锁图6。在实验中,完美的NHSK结构观察主要在聚合物/奈米棒混合系统。这是第一次NHSK结构中观察到的接枝聚合物系统。NHSK结构只能出现在适当的接枝密度和相对较高的polymer-nanorod交互。

目前的仿真结果表明,聚合物接枝在一维的晶体形态nanofiller可以调节通过改变接枝密度和界面交互。显然,这些系统与不同的结晶形态应该表现出不同的物理性质。因此,我们认为,当前的研究结果可以提供一些指导新的高性能的聚合物纳米复合材料的设计和制造。

4所示。结论

聚合物链的结晶过程嫁接到奈米棒从这些不同的聚合物/ nanofiller混合系统。随着接枝密度增加,成核和最后的结晶度可以大大提高能力。段密度在奈米棒附近,微晶的数量, 放松聚合物链的增加随着接枝密度,有利于结晶能力的增强。与此同时,结晶形态也显著影响嫁接密度和polymer-nanorod交互。移植系统52链,NHSK结构出现在的价值E_b/E_c是-0.4。然而,NHSK结构形成接枝系统128连锁,当的价值E_b/E_c是-1.0。完美NHSK结构不可能出现在252年的嫁接系统链下指定polymer-nanorod互动由于过高的接枝密度和强大的聚集效应。因此,NHSK结构的形成需要适当的接枝密度和相对较高的polymer-nanorod交互。这项工作有助于嫁接的结晶过程的机理的理解系统和可以提供一些指导与NHSK高性能聚合物复合材料结构的设计。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

自然科学基金支持的这项工作是江苏省高等教育机构(没有。18 kjb150009)和中国国家自然科学基金(没有。21404050)。

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