纳米SiO2掺杂对高交联度环氧树脂热力学性能影响的分子动力学模拟

为从微观角度分析纳米SiO2掺杂对环氧复合材料性能的影响,以双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)、甲基四氢苯二甲酸酐(MTHPA)分别作为环氧树脂基体和固化剂,基于分子动力学(molecular dynamics,MD)的方法建立了高交联度90%的纯环氧树脂和粒径为1.5 nm、2.0 nm的SiO2/EP复合模型,分析纳米SiO2掺杂对环氧复合材料的微观结构影响及热力学性能的提升效果,并且对比纳米SiO2粒径大小对材料性能提升的影响。研究发现,纳米SiO2的掺杂能提高环氧复合材料的热力学性能,粒径1.5 nm的纳米SiO2对环氧复合材料的提升效果更加显著。其中,掺杂粒径1.5 nm的纳米SiO2对环氧复合材料玻璃化转变温度的提升幅度为29.78 K,杨氏模量提高16.83%,剪切模量提高6.02%,体积模量提高4.20%。同时,纳米SiO2的掺杂改变了环氧复合材料的微观结构参数,内聚能密度有明显的提高,自由体积占比和均方位移均有不同程度的降低,粒径为1.5 nm的纳米SiO2对材料的微观结构影响更明显;但纳米SiO2的掺杂并未明显改变复合材料的全原子的径向分布函数。

分子数对交联环氧树脂体系特性影响的分子动力学模拟

分子模拟技术因能够揭示聚合物材料宏观性能与微观结构之间的关联,故被广泛应用于聚合物材料的性能研究。然而在分子模拟研究中,关于分子数对交联环氧树脂体系特性影响的研究却少有涉及。体系中分子数目的合理选择对交联分子模型的合理、准确构建均有一定的影响,从而会影响环氧树脂体系的特性。为此从分子模拟角度出发,基于COMPASS分子力场,采用Material Studio软件建立了不同分子数(DGEBA分子条数分别为24、32、40和48)的交联环氧树脂体系模型,用于分析分子数对交联环氧树脂体系特性的影响。文中计算了各模型的能量、自由体积占比、均方位移等微观结构参数和体积模量、剪切模量、杨氏模量等宏观力学性能参数,并比较了不同体系能量、自由体积占比、MSD和各个模量的变化情况。初步结果表明:随着分子数增加,交联体系的总能量基本不变;总体积呈升高趋势。当交联环氧树脂体系中的DGEBA分子为40个时,交联体系的体积模量和杨氏模量最大,剪切模量略低于含有24个DGEBA分子的体系,综合力学性能较其他3个体系较好。

交联度对酸酐固化环氧树脂热机械性能影响的分子动力学模拟

酸酐固化剂固化环氧树脂所得到的环氧树脂固化物作为绝缘材料广泛应用于高压绝缘系统。研究酸酐固化环氧树脂交联分子结构与性能间的关系,对提升环氧树脂性能或研发新型高性能环氧树脂具有重要意义。交联度是影响环氧树脂交联分子结构的重要因素之一,建立了高交联度双酚A型环氧树脂(DGEBA)/甲基四氢苯酐(MTHPA)固化体系的交联模型,采用分子动力学(MD)模拟重点研究交联度为78%-94%间,体系交联度变化对环氧树脂基材热机械特性的影响。结果表明:在高交联度下环氧树脂的玻璃化转变温度(Tg)随交联度的增加呈单调递增趋势,当交联度大于89%以后,Tg增加较为平缓。导热系数、热膨胀系数和力学参数均在交联度为89%时,出现极值点。即当交联度为89%时,可获得热机械性能最优的环氧树脂交联网络结构。研究结果可为合成高性能环氧树脂提供理论支撑。

基于MD模拟的DGEBA平均分子量对环氧树脂热机械性能的影响

平均分子量的大小对双酚A型环氧树脂性能有着显著影响,为此采用分子动力学模拟(MD)方法,将2种不同聚合度的双酚A型缩水甘油醚(DGEBA)按照不同比例混合,以甲基四氢苯酐(MTHPA)为固化剂,研究了不同平均分子量对环氧树脂体系热力学性能的影响,并与聚合度为0的DGEBA/MTHPA体系进行了对比。结果表明:随着平均分子量的增加,体系的玻璃化转变温度(Tg)先升高后降低,但均高于聚合度为0的DGEBA/MTHPA体系;平均分子量对橡胶态体系的热膨胀系数(CTE)影响较为明显;体系的弹性模量呈现先上升后下降的趋势,在平均分子量为700~750时,各个弹性模量的提升幅度最大。