بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه دمای انتقال شیشه ای و خواص مکانیکی پلیمر پلی متیل متاکریلات، نانوکامپوزیت پلی متیل متاکریلات/آلومینا و نانوکامپوزیت پلی متیل متاکریلات/هیدروکسیل آلومینا به روش دینامیک مولکولی و با استفاده از نرم افزار متریال استودیو مورد مطالعه قرار گرفت. به منظور تعیین دمای انتقال شیشه ای تغییرات چگالی بر حسب دما بررسی شد. در یک نقطه خاص تغییر شیب مشخص در نمودار مشاهده میشود که تعیین کننده دمای انتقال شیشه ای است.
نتایج نشان میدهد این دما با افزودن نانو ذرات آلومینا به پلیمر کاهش و با افزودن نانو ذرات هیدروکسیل آلومینا افزایش مییابد. مدول یانگ ، ضریب پواسون، ثابت لامه با استفاده از تقریب Voigt-Reuss-Hill محاسبه شد. بررسی حاصل از مطالعه خواص مکانیکی بیانگر آن است افزودن نانوذرات باعث بهبود خواص مکانیکی از جمله مدول یانگ، مدول بالک، ضریب پواسوان، ثابت لامه در مقایسه با پلیمر خالص میشود.
-1 مقدمه
پلی متیل متاکریلات یک پلیمر ترموپلاست است که به خاطر خواصی نظیر شفافیت، مقاومت به ضربه، پایداری در برابر عوامل محیطی، جذب رطوبت پایین، زیست سازگاری به طور گسترده در صنعت و مصارف پزشکی کاربرد دارد
برای بهبود خواص مکانیکی آن از پرکننده هایی نظیر اکسید فلزات استفاده میشود. اکسید آلومینیم یا آلومینا با داشتن خواص مکانیکی منحصر به فرد یک گزینه مناسب برای این منظور است .[2] بسیاری از خواص نانوکامپوزیتها متاثر از میزان چسبندگی پرکننده ها به زمینه میباشد. معمولاً یک ماده واسطه میتواند این چسبندگی را بهبود بخشد
برای افزایش میزان چسبندگی بین پرکننده و زمینه پلیمری هیدروکسیل آلومینا نیز به عنوان پرکننده در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفته است.
دمای انتقال شیشه ای یک خاصیت ذاتی ماده است. در این دما پلیمر از حالت شیشه ای به حالت ویسکوالاستیک تبدیل میشود. از آنجایی که در این دما بسیاری از خواص پلیمر دستخوش تغییر میشود و بسیاری از کاربردهای آن را مشخص میکند، پس تعیین آن اهمیت ویژهای دارد.
به دست آوردن دمای انتقال شیشه ای در آزمایشگاه مستلزم صرف وقت و هزینه میباشد لذا استفاده از محاسبات کامپیوتری می تواند در این زمینه کارآمد باشد. دینامیک مولکولی ابزار قدرتمندی است که به کمک آن میتوان در مقیاس اتمی رفتار پلیمر را بررسی کرد. [5] در این پژوهش به بررسی خواص مکانیکی و تعیین دمای انتقال شیشه ای برای پلیمر پلی متیل متاکریلات، پلی متیل متاکریلات/آلومینا، پلی متیل متاکریلات/هیدروکسیل آلومینا پرداخته میشود.
-2 روش شبیه سازی
شبیه سازی به وسیله پکیج نرم افزاری متریال استودیو به روش دینامیک مولکولی انجام شد.[6] ساختار اولیه در سه حالت مورد بررسی قرار گرفت: پلیمر پلیمتیل متاکریلات خالص، نانوکامپوزیت پلیمری پلیمتیل متاکریلات/ آلومینا و نانوکامپوزیت پلیمری پلی متیل متاکریلات/هیدروکسیل آلومینا.
در هر سه حالت زنجیره پلیمری با درجه پلیمریزاسیون 50، مدل به صورت تمام اتمی و نانوذره کروی آلومینا به شعاع 5 آنگستروم در نظر گرفته شده است. نانوذرات هیدروکسیل آلومینا با افزودن اتمهای هیدروژن به سطح نانوذره ساخته شد. شکل 1 ساختار اولیه را در هر سه حالت نشان میدهد در این شبیه سازی برای ساخت جعبه شیبه سازی از ماژول سلول آمورف استفاده شد و سپس با استفاده از ماژول فرسایت به تعادل رسید. میدان نیروی استفاده شده در کل شبیه سازی کامپس بود. در همه حالت ها باندهای غیرپیوندی وان دروالس در نظر گرفته شده است و با شعاع قطع 12.5و تابع cubic spline به عرض یک آنگستروم محاسبه شدند.
برای کنترل فشار از ترموستات برندسن و برای کنترل دما از ترموستات اندرسون استفاده شده است. برای کاهش اثرات سطحی شرایط مرزی پریودیک مورد استفاده قرار گرفت. پس از ساخته شدن ساختار اولیه سیستم به تعادل رسانده شد. ابتدا چگالی را 0.6 در نظر گرفته و سپس با آنسامبل NPT طی 1000 پیکوثانیه چگالی به تعادل رسید. برای سیستم پلیمرخالص چگالی به مقدار 1.06 گرم بر سانتی متر مکعب، برای سیستم پلی متیل متاکریلات/آلومینا 1.167 گرم بر سانتی متر مکعب و برای سیستم پلی متیل متاکریلات/هیدروکسیل آلومینا1.5 گرم بر سانتی متر مکعب در دمای 300K رسید.
بعد از این مرحله برای حذف برهم کنشهای نامطلوب و برهم کنش ها سیستم را آنیل شد. آنیل کردن سیستم با انسامبل NVT طی ده چرخه انجام شد که در هر چرخه دما با گامهای 20 درجه از300 K به1000 K رسیده و سپس به 300 برگشت داده شد. گام زمانی یک فمتوثانیه در نظر گرفته شد و هر بازه دمایی 100 پیکو ثانیه به طول انجامید. پس از مرحله آنیل شبیه سازی را با آنسامبل NPT طی 500 پیکوثانیه ادامه داده شد. شکل 3 تغییرات دما را بر حسب زمان نشان میدهد که به مقدار ثابتی رسیده است. شکل 4 انرژی بر حسب زمان نشان دهنده افت و خیز انرژی حول مقدار ثابتی است و بیانگر به تعادل رسیدن سیستم می باشد. پس از اطمینان از تعادل سیستم برای تعیین دمای انتقال شیشهای دما با گامهای 20 درجه از 500 به 300 کلوین رسانده شد. در هر دما با آنسامبل NPT در مدت زمان 1000 پیکوثانیه و سپس NVT به مدت 500 پیکوثانیه سیستم به تعادل رسید.
شکل - a.1 نانوذره آلومینا به شعاع 5 آنگستروم. - b نانوذره هیدروکسیل آلومینا. - c زنجیره پلیمری پلیمتیلمتاکریلات با 50 واحد تکرارشونده. - d نانوکامپوزیت پلیمتیلمتاکریلات/آلومینا. - e نانوکامپوزیت پلیمتیلمتاکریلات/هیدروکسیل آلومینا.
