聚合物結晶與導熱性能的分子模擬研究.pdf

1、高分子材料在電子、工程、機械等領域具有廣泛的應用價值。然而，高分子材料較差的導熱性能，限制了其在熱管理材料領域的應用。高分子本體的導熱率只有0.1-1W/mK，遠遠低于陶瓷和金屬材料。通過加入導熱填料可以有效提高復合體系的導熱性能，然而填充型高分子復合材料的有機-無機界面嚴重影響材料的機械力學性能。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熱和機械力學性能成為高分子研究領域的重點。高分子的物理性能與其微觀形態(tài)結構關系密切

2、。高分子體系中晶體的尺寸和取向、導熱填料與基體的復合狀態(tài)、填料顆粒之間的物理/比學鍵合等因素對材料的性能有重要的影響。本文采用計算機模擬方法研究了聚合物結晶、導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構和狀態(tài)的演變規(guī)律。
　　本研究首先采用分子動力學的方法模擬了聚乙烯體系和聚乙烯/氮化硼復合體系導熱率隨拉伸作用的變化。采用非平衡分子動力學（nonequilibrium moleculardynamics，NEMD）方法測定

3、了聚合物體系導熱率與拉伸形變、拉伸速率、溫度、分子摩爾質(zhì)量的關系。結果表明:對于純聚乙烯體系，拉伸作用通過改變分子的取向結構來達到提升導熱率的效果。隨著拉伸作用的進行，分子由無序混亂的狀態(tài)達到沿拉伸方向高度有序的晶體結構，使得熱量在傳遞過程中沿分子鏈傳遞大于分子間傳遞，大大提高了導熱效率。拉伸速率、溫度、聚乙烯分子的分子質(zhì)量都會影響取向結構，達到相同的形變條件時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，對應不同的拉伸速率

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)量越大聚合物的導熱系數(shù)越高。對于聚乙烯氮化硼復合體系，氮化硼片層由于自身的性質(zhì)使其誘導聚乙烯分子形成了有序結構同樣提升了聚合物的導熱率。納米添加劑的作用不僅僅是利用自身高導熱的性質(zhì)在聚合物體系中形成導熱通路來提高材料導熱率，其與聚合物材料間的相互作用改變聚合物的結構也是提升材料導熱性能的一個重要影響因素。然后研究了兩種不同構型氮化硼納米材料對于聚合物結

5、晶的影響。熔體條件下，通過對聚乙烯分子結晶過程中晶體構象的演變、空間內(nèi)分子分布的變化以及分子擴散特性的研究，結果表明氮化硼納米管誘導PE烷烴分子結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，誘導結晶的能力也不同，氮化硼納米結構的曲率半徑會影響聚合物在其表面結晶的速率。構象演變過程和鍵取向參數(shù)的變化表明，使氮化硼片層誘導結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，通過對表面接枝納米顆粒在溶液中的成鍵反應，系統(tǒng)地研究了反應的影響因素。考慮了接枝鏈的長度(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度、接枝密度、接枝鏈剛度、濃度的關系。結果證明，控制納米粒子的接枝鏈的長度是最有效的方法，接枝鏈的長度存在一個最優(yōu)值，在不同