聚乙烯晶体网络形成和微观结构分析的粗粒度模拟
Mohammed Althaf Hussain1, Takashi Yamamoto2, Syed Farooq Adil3
1Central Research Institute, Fukuoka University, Fukuoka 814-0180, Japan.
Polymers
|April 13, 2024
概括
这项研究使用粗粒度分子动力学模拟来模拟高密度聚乙烯中的晶体网络形成. 这些发现揭示了有序的微观结构,具有强大的机械性能,对于塑料材料应用至关重要.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 计算化学计算化学
- 聚合物物理 聚合物物理
背景情况:
- 半晶体聚合物,如高密度聚乙烯 (HDPE),具有复杂的微观结构,具有晶体和无形区域.
- 了解这些微观结构对于预测和优化工业应用的材料特性至关重要.
- 目前的表征方法需要先进的模拟技术来准确地模拟聚合物行为.
研究的目的:
- 用粗粒度分子动力学 (CGMD) 模拟来研究HDPE中的晶体网络形成.
- 分析由此产生的微观结构,包括状晶体茎和无形区域.
- 确定模拟半晶体模型的机械性能,如抗拉强度.
主要方法:
- 使用修改的Paul-Yoon-Smith (PYS/R) 力场参数用于HDPE融的CGMD模拟.
- 在300 K和1 atm进行同热结晶,以观察晶体的生长和方向.
- 分析了一维密度分布以确认状堆排序,并计算了晶体 (ρcr) 和无形 (ρam) 区域的密度.
主要成果:
- 模拟预测了多核晶体生长与交替的状晶体茎和无形区域.
- 获得的半晶体模型密度 (ρcr ≈ 0.913 g·cm−3) 和无形模型密度 (ρam ≈ 0.856 g·cm−3),其比率 (ρcr/ρam ≈ 1.06) 与实验数据一致.
- 在300K达到约52%的结晶度 (χc),观察到的增加表明了叶片茎的对齐.
- 应力-应变曲线模仿了拉力测试,显示出显著的拉力强度在产量 (≈100 MPa) 和破裂 (350%),与与状茎对齐相关的空洞化.
结论:
- PYS/R力场有效地模拟了HDPE中的晶体网络形成,产生了可靠的半晶体微观结构.
- 模拟的微观结构展示了有序的晶体和无形细分,具有强大的机械性能.
- 这种模拟方法有助于预测压力下的塑料中的微结构-机械性质关系,这对材料设计和应用非常有价值.
