高分子/棒状纳米粒子复合物的分子动力学模拟

doi:10.7503/cjcu20200593

摘要/Abstract

摘要：

采用非平衡态分子动力学模拟研究了剪切场下棒状纳米粒子对高分子基体的结构、动力学和流变性质的影响. 通过比较多种体积分数(0.8%~10%)的纳米复合物及纯熔体的模拟结果发现, 随着纳米粒子的增加, 高分子链的扩散和松弛逐渐受到抑制, 而链尺寸几乎保持不变. 从Weissenberg number(W_i)角度看, 在剪切流场下, 高分子链的结构性质(如归一化的均方回转半径、回转张量和取向抑制参数)几乎与纳米粒子的体积分数无关, 而高分子链的Tumbling运动受到抑制. 研究还发现, 纳米复合物与纯熔体的剪切黏度曲线趋势基本一致, 即W_i=1将曲线分为平台区和剪切变稀区. 纳米棒的加入仅定量地改变了流体的剪切黏度.

关键词: 纳米复合物, 分子动力学模拟, 剪切流场

Abstract:

The effects of nanorods on the structural， dynamical， and rheological properties of polymer matrix were investigated under shear flow via nonequilibrium molecular dynamics simulation. By comparing the results of nanocomposites（with volume fractions from 0. 8% to 10%） and pure melts， it is found that the diffusion and relaxation of polymer chains are gradually limited with the increase of nanoparticles， while the polymer size keeps almost unchanged. Under shear flow， it is found that the structural properties such as the mean-square radius of gyration， main components of gyration tensor and the orientation resistance parameter are almost independent of the volume fractions of nanoparticles， from the perspective of Weissenberg number（W_i）， while the tumbling motion of polymer chains is restricted. In addition， we also find the shear viscosity curve of nanocomposites is essentially the same with that of the pure melt， that is， W_i=1 divides the curve into the plateau region and the shear thinning region. The introduction of nanorods merely changes the shear viscosity of the fluid quantitatively.

Key words: Nanocomposites, Molecular dynamics simulation, Shear flow

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 9

Table 1 Length of cubic box size(L), the numbers of flexible polymers(Nc), the numbers of nanorod polymers(Nr)and percentages(φ) of nanorods referred to different systems

L(σ)	N_c	N_r	φ(%)
42.17	2107	0	0
32.90	992	24	0.8
32.90	990	30	1
42.17	2000	320	5
42.17	1896	632	10

Fig.1 Structural properties of polymers in nanocomposites with different nanorod volume fractions at equilibrium(A) Snapshots of nanorods with different volume fractions from left to right: 0.8%, 1%, 5%, 10%; (B) mean-square of radius gyration Rg20 scaled by that of pure melt; (C) mean-square end-to-end distance Ree20 scaled by that of pure melt.

Fig.2 Diffusion coefficient(D)(A) and relaxation time(τ)(B) of polymers as a function of different nanorods volume fractions

Fig.3 Mean?square radius of gyration and gyration tensor normalized by the radius of gyration under zero?shear as a function of Wifor different volume fractions nanocomposites(A) Mean-square radius of gyration; (B) the flow component 3Gxx/Rg20; (C) the vorticity component 3Gyy/Rg20; (D) the gradient component 3Gzz/Rg20.

Fig.4 Ratio of the medium(G2) and largest(G1) eigenvalues(A) and ratio of the smallest(G3) and largest(G1) eigenvalues(B) of the gyration tensor as a function of Wi

Fig.5 Orientation resistance parameter mG as a function of Wi for different volume fractionsInset: a schematic illustration of orientation angle ?.

Fig.6 Cross?autocorrelation function Cxzagainst simulation time t with Wi of 20(A) and frequency of tumbling motion(ftb) as a function of Wi(B) for various volume fractionsInset of (B): frequency ftb of polymers as a function of nanorods volume fraction for Wi=20.

Fig.7 Shear viscosity(η) as a function of Wi for different volume fractionsInset: the shear viscosity of nanocomposites as a function of nanorods volume fractions for Wi=20.

Table 2 Zero-shear viscosities(η0) of different nanocomposites and pure melt

φ(%)	$η 0$
0	19.69
0.8	21.02
1	21.54
5	30.63
10	46.28

Table 2 Zero-shear viscosities(η0) of different nanocomposites and pure melt

φ(%)	$η 0$
0	19.69
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5	30.63
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