碳纳米管与石墨烯诱导烷烃分子链结晶的分子动力学模拟-创腾科技.PDF

碳纳米管与石墨烯诱导烷烃分子链结晶的分子动力学模拟 1 2 杨俊升 ，杨传路 1）（计算物理四川省高校重点实验室，宜宾学院） 2 ）（物理与光电工程学院，鲁东大学） 摘要：在本章中，我们主要研究烷烃熔体在碳纳米管和石墨烯表面的结晶机理。通过对晶体结构演变过程、 原子空间分布和扩散特性的分析，得出了烷烃分子在碳纳米管和石墨烯表面的结晶遵循不同的结晶方式。 碳纳米管与石墨烯诱导高分子链结晶，纳米粒子的维度和尺寸是影响高分子链结晶快慢的主要因素。通过 动力学图像的观察，发现高分子链会在石墨烯的表面出现多重的取向。在分子水平上解释了实验现象发生 机理。 1 模型构建和计算细节 1.1 模型构建 在构建聚合物/碳纳米复合模型中，本文采用的是短的烷烃链，每个烷烃链含有20 个CHx 单体。最开始 的时候，我们将这样的120 条烷烃分子随机的分布在碳纳米管（CNT ）和石墨烯片（GNS ）表面，如图3.1 所示。我们将建好的模型在高温下（T = 750 K ）进行300 ps 的动力学计算，这样做的目的主要是为了使整 个系统处于一种完全松弛的状态。根据文献报道的结晶温度，我们将高分子与 CNT 和GNS 组成的纳米复 合体系的温度分别降到450K 和500K 做进一步的动力学计算。为便于看清空间的原子构象分布，在画图的 过程中我们去掉了氢原子。 图1 碳纳米管与石墨烯纳米复合物的初始结构 1.2 计算细节 本文的计算都是在Materials studio 中的Discover 模块中完成的，计算中所采用的力场是COMPASS 力场。 这个力场已经被成功的运用到有机和无机材料的性质计算中。并且这个力场也已经在我们以前的工作中关 于单壁碳纳米管（SWCNT）与高分子材料PE/PP/PS/PPA/PPV 相互作用得到了成功的运用。 2 结果与讨论 2.1 烷烃分子熔体在碳纳米管和石墨烯表面的取向过程 图2 和图3 直观的显示了烷烃分子链被一维CNT 和GNS 表面诱导成核与生长的动力学过程，在这个 模拟过程中体系的温度分别取为450 和500K。由于不同维度的纳米结构对于附着在其上面的聚合物的晶体 结构有非常大的影响，所以我们有必要对它的机理作进一步的研究。Xu 等人[42]在实验上的结果显示一维 CNT 具有强的诱导能力对于聚合物的结晶，他们的结果显示一维CNT 诱导PLLA 结晶的能力远远比GNS 强的多。 图2 显示了在500K 时CNT 诱导烷烃分子熔体的等温结晶过程。从图1 （a ）我们知道在最开始的时候 烷烃分子都是无序的分布在CNT 的表面，随着时间的改变，我们发现整个分子链慢慢的处于一种有序排布 的状态在CNT 的表面。进一步观察这个过程，我们发现烷烃分子链的取向主要沿着纳米管中心轴的方向。 同样我们发现片晶的方向与CNT 的轴相互垂直。在这里我们没有考虑管径和纳米管的手型对于烷烃分子链 结晶过程的影响，但是实验上已经证实纳米管的曲率半径会影响聚合物晶体的结构。Wei 采用动力学模拟的 方法已经证实了CNT 的管型和管径对于聚合物的结晶速率有很大的影响。图4 给出了CNT/烷烃分子组成 的纳米复合体系的总势能和非键相互作用能随时间演变的过程。我们发现，总能量的降低主要是由于非键 相互作用能的降低所影响的。从图4 中还可以看出CNT/烷烃分子体系的能量在2000ps 以后基本没有变化， 这也可以说明我们的模拟时间4000ps 可以保证我们的体系达到平衡状态。 对于 GNS/烷烃分子体系我们同样发现烷烃分子会在 GNS 的表面形成取向有序的结构，这也就预示着 GNS 同样可以作为成核剂应用到高分子的结晶过程中。我们的结果显示CNT 和GNS 都可以作为成核剂应 用到高分子的结晶过程。比较 CNT 和 GNS 诱导烷烃分子的结晶过程我们发现 GNS 的诱导能力远远没有 CNT 的强。我们模拟的结果与Xu 在实验上用傅里叶转换光谱仪观察与推测的结果是一致的。CNT 与GNS 的不同点是它们的维度不同，表面结构都是一样的。我们将在下一节对CNT 与GNS 的诱导能力作进一步 的讨论。