高等学校化学学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (11): 2556-2564.doi: 10.7503/cjcu20180331
收稿日期:
2018-04-28
出版日期:
2018-11-10
发布日期:
2018-10-09
作者简介:
联系人简介: 肖继军, 男, 博士, 教授, 主要从事高分子和含能材料中的理论与计算化学应用方面的研究. E-mail: 基金资助:
LIU Bei, GAO Pei, LI Shenshen, XIAO Yunqin, XIAO Jijun*()
Received:
2018-04-28
Online:
2018-11-10
Published:
2018-10-09
Contact:
XIAO Jijun
E-mail:xiao_jijun@njust.edu.cn
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摘要:
运用分子动力学(MD)模拟方法, 对绿色黏结剂聚乳酸(PLA)、 聚己内酯(PCL)和聚乳酸-己内酯共聚物(P(LA-co-CL))在六硝基六氮杂异伍兹烷/三硝基甲苯(CL-20/TNT)炸药共晶4个晶面(001), (100), (010)H和(010)T上的黏结性能进行了计算研究. 对高聚物PLA, PCL和P(LA-co-CL)的密度、 体积和玻璃化转变温度进行模拟以验证力场的适用性, 结果显示, 计算值与实验值吻合较好. 分子动力学模拟计算结果表明, 组成界面的晶面和高分子极性较高时, 润湿性能明显较好; 对相关函数计算发现, 晶面和黏结剂之间H-O原子对在0.5 nm范围内数量明显增多. 对于极性最小的PCL, 在所有晶面上的润湿性能都明显降低.
中图分类号:
刘蓓, 高培, 李慎慎, 肖运钦, 肖继军. 黏结剂PLA, PCL及其共聚物与CL-20/TNT共晶黏结性能的分子动力学模拟[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(11): 2556-2564.
LIU Bei, GAO Pei, LI Shenshen, XIAO Yunqin, XIAO Jijun. Molecular Dynamics Investigation of Adhesion Between CL-20/TNT Co-crystal Surfaces and Adhesives of PLA, PCL, P(LA-co-CL)†[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2018, 39(11): 2556-2564.
Fig.2 Four side views of different surface models of CL-20/TNT co-crystalCL-20 in line mode and TNT in ball-stick mode. (A)(001); (B)(100); (C)(010)H; (D)(010)T.
Polymer | Density/(g·cm-3)(298 K) | Tg/℃ | |||
---|---|---|---|---|---|
Experiment | This work | Synthia[ | Experiment | This work | |
PLA | 1.24[ | 1.17±0.01 | 1.25 | 55—60[ | 59 |
PCL | 1.15[ | 1.11±0.01 | 1.10 | -60[ | -57 |
P(LA-co-CL) | | 1.12±0.01 | 1.16 | -15[ | -15 |
Table 1 Densities and glass transition temperatures of the polymers
Polymer | Density/(g·cm-3)(298 K) | Tg/℃ | |||
---|---|---|---|---|---|
Experiment | This work | Synthia[ | Experiment | This work | |
PLA | 1.24[ | 1.17±0.01 | 1.25 | 55—60[ | 59 |
PCL | 1.15[ | 1.11±0.01 | 1.10 | -60[ | -57 |
P(LA-co-CL) | | 1.12±0.01 | 1.16 | -15[ | -15 |
Crystal surface | Polymer | γ1 | γ2 | γ12 | W12 | S |
---|---|---|---|---|---|---|
(001) | PLA | 131 | 28±4 | -477±1 | 636 | 580 |
PCL | 131 | 49±2 | -56±4 | 236 | 138 | |
P(LA-co-CL) | 131 | 42±1 | -486±3 | 659 | 575 | |
(100) | PLA | 144 | 28±4 | -28±3 | 200 | 144 |
PCL | 144 | 49±2 | -8±5 | 201 | 103 | |
P(LA-co-CL) | 144 | 42±1 | 12±4 | 174 | 90 | |
(010)T | PLA | 140 | 28±4 | -65±4 | 233 | 177 |
PCL | 140 | 49±2 | -40±2 | 229 | 131 | |
P(LA-co-CL) | 140 | 42±1 | -53±4 | 235 | 151 | |
(010)H | PLA | 140 | 28±4 | -252±3 | 420 | 364 |
PCL | 140 | 49±2 | -49±3 | 238 | 140 | |
P(LA-co-CL) | 140 | 42±1 | -354±2 | 536 | 452 |
Table 2 Surface tension(γ), interfacial tension(γ12), work of adhesion(W12) and spreading coefficient(S) for the polymers(γ2) interfaced to the CL-20/TNT co-crystal(γ1)(10-3 J/m2)
Crystal surface | Polymer | γ1 | γ2 | γ12 | W12 | S |
---|---|---|---|---|---|---|
(001) | PLA | 131 | 28±4 | -477±1 | 636 | 580 |
PCL | 131 | 49±2 | -56±4 | 236 | 138 | |
P(LA-co-CL) | 131 | 42±1 | -486±3 | 659 | 575 | |
(100) | PLA | 144 | 28±4 | -28±3 | 200 | 144 |
PCL | 144 | 49±2 | -8±5 | 201 | 103 | |
P(LA-co-CL) | 144 | 42±1 | 12±4 | 174 | 90 | |
(010)T | PLA | 140 | 28±4 | -65±4 | 233 | 177 |
PCL | 140 | 49±2 | -40±2 | 229 | 131 | |
P(LA-co-CL) | 140 | 42±1 | -53±4 | 235 | 151 | |
(010)H | PLA | 140 | 28±4 | -252±3 | 420 | 364 |
PCL | 140 | 49±2 | -49±3 | 238 | 140 | |
P(LA-co-CL) | 140 | 42±1 | -354±2 | 536 | 452 |
Fig.5 Comparison of the work of adhesion(W12)(A) and the spreading coefficient(S)(B) for PLA, PCL and P(LA-co-CL) interfaced to the different CL-20/TNT co-crystal surfaces
Fig.7 Snapshots of the time evolution of a single PLA polymer chain at (001)(A), (010)H(B), (010)T(C) and (100)(D) surfaces of CL-20/TNT co-crystal interface at 0.2 intervalsFrom left to right: the chronological order is 0, 0.2, 0.4 ns.
Fig.8 PCFs for atom pairs of H and O atoms in PLA with O[H(P)—O, a] and H[O(P)—H, b] atoms in CL-20/TNT co-crystal at(001) surface at 380 K, respectively(A) g(r) converged to 1; (B) close-up g(r) of the region of interest.
Crystal surface | Polymer | Distance/nm | H(P)—O | O(P)—H |
---|---|---|---|---|
(001) | PLA | 0.20—0.31 | 1.87 | 3.04 |
PCL | 1.37 | 2.45 | ||
P(LA-co-CL) | 1.89 | 3.31 | ||
PLA | 0.31—0.50 | 5.57 | 5.84 | |
PCL | 5.03 | 4.97 | ||
P(LA-co-CL) | 5.68 | 5.92 | ||
(010)H | PLA | 0.20—0.31 | 2.14 | 0.75 |
PCL | 1.57 | 0.59 | ||
P(LA-co-CL) | 2.33 | 0.78 | ||
PLA | 0.31—0.50 | 6.18 | 4.59 | |
PCL | 5.73 | 4.27 | ||
P(LA-co-CL) | 6.45 | 5.03 | ||
(010)T | PLA | 0.20—0.31 | 1.73 | 0.68 |
PCL | 1.69 | 0.57 | ||
P(LA-co-CL) | 1.78 | 0.72 | ||
PLA | 0.31—0.50 | 4.45 | 3.46 | |
PCL | 4.33 | 3.27 | ||
P(LA-co-CL) | 4.48 | 3.57 | ||
(100) | PLA | 0.20—0.31 | 1.02 | 0.33 |
PCL | 1.03 | 0.29 | ||
P(LA-co-CL) | 1.07 | 0.32 | ||
PLA | 0.31—0.50 | 2.82 | 3.22 | |
PCL | 2.78 | 3.19 | ||
P(LA-co-CL) | 2.87 | 3.04 |
Table 3 Integral areas of PCF curves for different atom pairs in the interfaces between polymers and co-crystal surfaces
Crystal surface | Polymer | Distance/nm | H(P)—O | O(P)—H |
---|---|---|---|---|
(001) | PLA | 0.20—0.31 | 1.87 | 3.04 |
PCL | 1.37 | 2.45 | ||
P(LA-co-CL) | 1.89 | 3.31 | ||
PLA | 0.31—0.50 | 5.57 | 5.84 | |
PCL | 5.03 | 4.97 | ||
P(LA-co-CL) | 5.68 | 5.92 | ||
(010)H | PLA | 0.20—0.31 | 2.14 | 0.75 |
PCL | 1.57 | 0.59 | ||
P(LA-co-CL) | 2.33 | 0.78 | ||
PLA | 0.31—0.50 | 6.18 | 4.59 | |
PCL | 5.73 | 4.27 | ||
P(LA-co-CL) | 6.45 | 5.03 | ||
(010)T | PLA | 0.20—0.31 | 1.73 | 0.68 |
PCL | 1.69 | 0.57 | ||
P(LA-co-CL) | 1.78 | 0.72 | ||
PLA | 0.31—0.50 | 4.45 | 3.46 | |
PCL | 4.33 | 3.27 | ||
P(LA-co-CL) | 4.48 | 3.57 | ||
(100) | PLA | 0.20—0.31 | 1.02 | 0.33 |
PCL | 1.03 | 0.29 | ||
P(LA-co-CL) | 1.07 | 0.32 | ||
PLA | 0.31—0.50 | 2.82 | 3.22 | |
PCL | 2.78 | 3.19 | ||
P(LA-co-CL) | 2.87 | 3.04 |
[1] | Yan Q. L., Zeman S., Elbeih A., Thermochimica Acta, 2012, 537, 1—12 |
[2] | Xiao J. J., Zhu W. H., Zhu W., Xiao H. M., Molecular Dynamics of Energetic Materials, Science Press, Beijing, 2013 |
(肖继军, 朱卫华, 朱伟, 肖鹤鸣. 高能材料分子动力学, 北京: 科学出版社, 2013) | |
[3] | Bolton O., Matzger A. J., Angewandte Chemie International Edition, 2011, 50(38), 8960—8963 |
[4] | Yang Z. W., Huang H., Li H. Z., Zhou X. Q., Li J. S., Nie F. D., Chinese Journal of Energetic Materials, 2012, 20(2), 256—257 |
(杨宗伟, 黄辉, 李洪珍, 周小清, 李金山, 聂福德. 含能材料, 2012, 20(2), 256—257) | |
[5] | Wang J. Y., Li H. Q., An C. W., Guo W. J., Chinese Journal of Energetic Materials, 2015, 23(11), 1103—1106 |
(王晶禹, 李鹤群, 安崇伟, 郭文建. 含能材料, 2015, 23(11), 1103—1106) | |
[6] | Chen P. Y., Zhang L., Zhu S. G., Cheng G. B., Chinese Journal of Structural Chemistry, 2016, 35(2), 246—256 |
[7] | Guo D., An Q., Iii W. A. G., Zybin S. V., Huang F., Journal of Physical Chemistry, C, 2016, 118(51), 30202—30208 |
[8] | Liu Q., Xiao J. J., Zhang J., Zhao F., He Z. H., Xiao H. M., Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(3), 559—566 |
(刘强, 肖继军, 张将, 赵峰, 何正华, 肖鹤鸣. 高等学校化学学报, 2016, 37(3), 559—566) | |
[9] | Lai S. M., Hsieh Y. T., Journal of Macromolecular Science, Part B, 2016, 55(3), 211—228 |
[10] | Aldana D. S., Villa E. D., Hernandez M. D. D., Sanchez G. G., Cruz Q. R., Gallardo S. F., Castillo H. P., Casarrubias L. B., Polymers, 2014, 6(9), 2386—2403 |
[11] | Iwata T., Angewandte Chemie International Edition, 2015, 54(11), 3210—3215 |
[12] | Wu G. H., Liu S. Q., Jia H. S., Dai J. M., Journal of Wuhan University of Technology: Materials Science Edition, 2016, 31(1), 164—171 |
[13] | Way C., Dean K., Wu D. Y., Palombo E., Polymer Degradation & Stability, 2012, 97(3), 430—438 |
[14] | Hwang S. W., Shim J. K., Selke S., Soto-Valdez H., Rubino M., Auras R., Macromolecular Materials & Engineering, 2013, 298(6), 624—633 |
[15] | Ren H., Zhang Q., Chen X., Zhao W., Zhang J., Zhang H. P., Zeng R., Xu S., Polymer, 2007, 48(3), 887—893 |
[16] | Bolton O., Matzger A. J., Angewandte Chemie International Edition, 2011, 50(38), 8960—8963 |
[17] | Sun T., Xiao J. J., Liu Q., Zhao F., Xiao H. M, Journal of Materials Chemistry, A, 2014, 2(34), 13898—13904 |
[18] | Sun T., Xiao J. J., Ji G. F., Zhao F., Xiao H. M., 2016, 13(3), 677—693 |
[19] | Bunte S. W., Sun H, The Journal of Physical Chemistry, B, 2000, 104(11), 2477—2489 |
[20] | Andersen H. C., Journal of Chemical Physics, 1980, 72(4), 2384—2393 |
[21] | Berendsen H. J. C., Postma J. P. M., Gunsteren W. F. V., DiNola A. R. H. J., Haak J. R., Journal of Chemical Physics, 1984, 81(8), 3684—3690 |
[22] | Allen M. P., Tildesley D. J., Computer Simulation of Liquids, Oxford University Press, New York, 1989 |
[23] | Ewald P. P., Ann Phys(Leipzig), 1921, 64, 253—287 |
[24] | Han J., Gee R. H., Boyd R. H., Macromolecules, 1994, 27(26),7781—7784 |
[25] | Zhang J., Liang Y., Yan J. Z., Lou J. Z., Polymer, 2007, 48(16), 4900—4905 |
[26] | Fu Y. Z., Hu S. Q., Lan Y. H., Liu Y. Q., Acta Chimica Sinica, 2010, 68(8), 809—813 |
(付一政, 胡双启, 兰艳花, 刘亚青. 化学学报, 2010, 68(8), 809—813) | |
[27] | Bicerano J., Prediction of Polymer Properties, Chemical Rubber Company Press, Boca Raton, 2002 |
[28] | Nampoothiri K. M., Nair N. R., John R. P., Bioresource Technology, 2010, 101(22), 8493—8501 |
[29] | Wiria F. E., Leong K. F., Chua C. K., Liu Y., Acta Biomaterialia, 2007, 3(1), 1—12 |
[30] | Tsuji H., Sumida K., Journal of Applied Polymer Science, 2015, 79(9), 1582—1589 |
[31] | Grijpma D. W., Zondervan G. J., Pennings A. J., Polymer Bulletin, 1991, 25(3), 327—333 |
[32] | Shen Z., Zhao Z. G., Kang W. L., Colloid and Surface Chemistry, Chemistry Industry Press, Beijing, 2002 |
(沈钟, 赵振国, 康万利. 胶体与表面化学, 北京: 化学工业出版社, 2012) | |
[33] | Gee R. H., Maiti A., Bastea S., Fried L. E., Macromolecules, 2007, 40(9), 3422—3428 |
[34] | Kirkwood J. G., Buff F. P., Journal of Chemical Physics, 1949, 17(3), 338—343 |
[35] | Zhang Y. H., Feller S. E., Brooks B. R., Pastor R. W., Journal of Chemical Physics, 1995, 103(23), 10252—10266 |
[36] | Jha K. C., Zhu H., Dhinojwala A., Tsige M., Langmuir, 2014, 30(43),12775—12785 |
[37] | Bekele S., Tsige M., Langmuir the ACS Journal of Surfaces & Colloids, 2013, 29(43),13230—13237 |
[38] | Krzeminski C., Brulin Q., Cuny V., Lecat E., Lampin E., Cleri F., Journal of Applied Physics, 2007, 101(12),6336—6339 |
[1] | 瞿思颖, 徐沁. 凝血因子Xa的S4口袋部分关键残基对利伐沙班结合的不同作用机制[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(9): 1918-1925. |
[2] | 毛龙, 刘跃军, 范淑红. 聚吡咯改性层状黏土/聚己内酯抗菌纳米复合材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1726-1732. |
[3] | 马玉聪, 樊保民, 王满曼, 杨彪, 郝华, 孙辉, 张慧娟. 曲唑酮的两步法制备及对碳钢的缓蚀机理[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1706-1716. |
[4] | 孙浩帆, 张凌怡, PATRICKNorman, 张维冰. 二芳基乙烯衍生物与DNA结合的分子动力学研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(6): 1229-1235. |
[5] | 张璋, 王栋, 王晓雷, 徐岩. 华根霉脂肪酶有机相酯合成活性的重塑[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(4): 747-754. |
[6] | 刘垚杉,吴海林,贾智,杜博,刘大勇,周志敏. 丝素改性聚乳酸-羟基乙酸共聚物多孔微球作为牙龈间充质干细胞递送载体的研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(11): 2419-2426. |
[7] | 马兰, 容婧婧, 朱有亮, 黄以能, 孙昭艳. 软胶体粒子形成束晶的动力学模拟[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(1): 195-200. |
[8] | 朱镜璇, 于正飞, 刘野, 詹冬玲, 韩佳睿, 田晓翩, 韩葳葳. 基于分子动力学模拟提高嗜热磷酸三酯酶样内酯酶非特异性底物活力的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(1): 138-146. |
[9] | 吴红枚, 李惠婷, 李永成, 王宏青, 王孟. 基于基团贡献法和分子动力学预测聚间苯二甲酰对苯二胺的玻璃化转变温度[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(1): 180-186. |
[10] | 韩嘉晖, 黄汉雄, 黄宇霄. 滑石粉和PLA-g-MAH对聚乳酸结晶性能和熔体强度的改善[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(9): 2089-2097. |
[11] | 刘艳芳, 杨华, 张辉. 分子动力学模拟烷烃混合物在石墨烯表面取向[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(8): 1729-1733. |
[12] | 史鹏辉, 边六交. 头孢西丁与金属β-内酰胺酶BcⅡ相互作用的光谱分析及分子动力学模拟[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(5): 971-976. |
[13] | 曹洪玉, 金晓军, 郭委, 余雅娴, 史龙飞, 唐乾, 郑学仿. 胰高血糖素样肽-1受体胞外区域突变体复合物的动力学研究[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(5): 1026-1033. |
[14] | 刘刚, 张恒, 孙恒, 朱洪霞, 张煜函, 朱庆增, 苑世领. 碱/脲水溶液体系中纤维素包合物构型及纤维素与溶剂分子间相互作用力的分子动力学模拟[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(4): 714-720. |
[15] | 高燕, 张华, 张雯, 李祥鹏, 岳盼, 李伟. 乳液静电纺丝PLA/PEG微纳纤维膜的可控制备及负载亲疏水性药物的释放[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(3): 575-582. |
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