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《山东工业技术》刊文精选

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PVC木塑复合材料分子模拟分析

[摘要]采用耗散粒子动力学的方法模拟了PVC共聚树脂与木粉的相容及分布情况,在介观尺度模拟了木粉在材料中的聚集状态,根据模拟结果预测不同木粉用量下材料的力学性能,并通过试验进行了验证。结果表明:①预测结果与试验结果相符;②当木粉质量分数为60%时,材料的力学性能较好。

木塑复合材料是用植物纤维增强改性塑料制成的材料,兼具了塑料和木材的性能高、成本低廉、环保(可回收利用)等优点[1]。植物纤维的主要成分是纤维素,而纤维素主要由葡萄糖单元组成。葡萄糖单元中含有大量的羟基,会形成分子间和分子内氢键,所以植物纤维具有强极性,因此弱极性的PVC与木粉之间的界面黏结力很小,相容性极差。当木粉填充量较高时,PVC木塑复合材料的力学性能下降,物料的流动性能和加工性能变差,混炼和挤出成型难度加大[2-3]。因此,根据市场需要,宜宾天亿新材料科技有限公司开发了一种适合高木粉填充的PVC共聚树脂,提高了木粉中纤维素与PVC的作用力,从而可提高产品中木粉的用量,增加产品的木质感,并且可提高产品的力学性能。笔者采用耗散粒子动力学的方法模拟了PVC共聚树脂与木粉的相容及分布情况。

1建立模型

1.1耗散粒子动力学

传统的计算机模拟方法集中在分子/原子尺度和宏观尺度。基于研究原子和电子级的一些简单系统,量子力学和分子动力学方法是非常有效的,可以精确地计算原子和分子之间的相互作用,但计算量非常大[4-5]。Hoogerbrugge和Koelman在1992年首次提出了耗散粒子动力学(DissipativeParticleDy-namics,DPD),其可以用来模拟复杂流体的动力学现象[6]。它的基本思想就是用一个“珠子”代替分子流体中的一团物质或者部分基团,珠子的运动速度、位置和轨迹符合牛顿运动方程。因此,它能够在更长的时间尺度和更大的空间尺度上对复杂体系进行模拟,同时在粗粒化过程中系统内在的性质却没有改变[7]。1995年,Espan~ol和Warren提出所有珠子同时受到守恒力、耗散力和随机力3种力的作用。守恒力描述了弹性球体间的排斥力,耗散力描述了运动珠子之间的黏滞阻力,随机力的引入是为了保持模拟体系温度的恒定。3种力的引入使DPD方法能够很好地在正则系综(NVT恒定)中进行模拟计算[8-9]。

1.2球棒模型的建立

在DPD方法中,首先要对体系的分子进行粗粒化,即将分子中的一部分基团或原子用一个珠子代替,尽可能用相对简单的结构代替原来的分子,并保持分子的特征不改变。笔者对PVC木塑复合材料的粗粒化结果为:a代表硬脂酸,b代表有机锡稳定剂,c代表ACR,d代表木粉,e代表PVC共聚树脂。模拟基本配方:PVC共聚树脂,100份;木粉,变量;有机锡稳定剂,2份;ACR,5份;硬脂酸,1.5份。对各组分的粗粒化完成后,计算各珠子间的相互作用参数,弹性常数设定为C=4。用MaterialsStudio软件的DPD模块进行模拟计算,每一个计算都进行20000步,其步长为0.05ns。用MaterialsStudio软件中Synthia模块在Compass力场下计算以及查阅高分子手册得出各珠子(重复单元)在300K温度下的溶解度参数。各珠子的Flory-Huggins参数见表1。

2DPD模拟

根据上述参数,进行了不同木粉含量(质量分数,下同)下的PVC木塑复合材料的模拟计算,结果见图1。图1中左边的图片为整个PVC木塑复合材料的组分分布,右边的图片为除去PVC后其他组分的分布。模拟计算配方:PVC共聚树脂100份,木粉变量,稳定剂2份,ACR5份,硬脂酸1.5份。由图1可知:木粉含量为30%~40%时,其呈球状的分布状态,几乎完全被包覆于材料内部;木粉含量为50%时,其呈纤维状分布状态,有部分裸露在材料表面,这样的结构可以增加材料纵向上的力学性能;木粉含量为60%时,其在材料中呈互穿网络的结构,可使材料各个方向的力学性能都得以提升;木粉含量为70%时,其与PVC基体两相分离,会导致材料的力学性能急速下降。

3验证试验

3.1主要原料

PVC共聚树脂,宜宾天原集团股份有限公司;其他助剂,市售。

3.2仪器与设备

电子万能试验机,WDT-W-100KN,承德市精密试验机有限公司;冲击试验机,XJC-500,承德市精密试验机有限公司;哑铃型制样机,XYZ-70,承德市金建检测仪器有限公司;缺口制样机,QKD-V,承德市精密试验机有限公司;双辊开炼机,X(S)K,上海双翼橡塑机械有限公司;平板硫化机,XH-406B,东莞市锡华精密检测仪器有限公司。3.3制样样品配方与模拟计算配方相同。按配方称量物料,先通过双辊开炼机塑化及分散,前后辊温度设定为180℃,辊速为40r/min;再经过平板硫化机硫化制片,硫化温度设定为175℃,热压时间设定为5min,冷压时间设定为2min。样片通过专用制样工具裁剪成测试样条,静置48h后进行力学性能检测。3.4测试标准拉伸强度和断裂伸长率按照GB/T1040—1992《塑料拉伸性能试验方法》进行测试。悬臂梁缺口冲击强度按照GB/T1843—1996《塑料悬臂梁冲击试验方法》进行测试。弯曲强度与弯曲模量按照GB/T9341—2000《塑料弯曲性能试验方法》进行测试。

4结果与讨论

4.1木粉含量对

PVC木塑复合材料拉伸性能的影响木粉含量对PVC木塑复合材料拉伸性能的影响见表2。表2木粉含量对PVC木塑复合材料拉伸性能的影响Table2Effectofwoodflourcontentontensilestrengthsofwood-PVCcomposites木粉含量/%拉伸强度/MPa断裂伸长率/%30455.240634.350704.060993.170652.2由表2可知:随着木粉含量的增加,PVC木塑复合材料的拉伸强度先逐渐提高,这是因为木粉在PVC木塑复合材料中以纤维状自组装,而PVC通过共聚改性提高了其与木粉之间的相容性,木粉在复合材料中更容易分散,起到了很好的增强作用。当木粉含量为60%时,PVC木塑复合材料的拉伸强度达到最大值99MPa。当木粉含量继续增加到70%时,PVC木塑复合材料的拉伸强度降低到了65MPa,这是因为此时木粉含量过多,PVC相与木粉相开始分层,导致拉伸强度降低。表1中拉伸强度的变化规律与图1吻合。

4.2木粉含量对

PVC木塑复合材料冲击强度的影响木粉含量对PVC木塑复合材料冲击强度的影响见表3。由表3可见:随着木粉含量的增加,PVC木塑复合材料的冲击强度先逐渐提高,主要原因是木粉降低了冲击产生银纹断裂的概率;当木粉含量增加至70%时,木粉含量过多,产生团聚,在冲击过程中团聚的位置容易形成力学缺陷,导致冲击强度急剧下降。表2中冲击强度的变化规律也与图1吻合。

4.3木粉含量对

PVC木塑复合材料弯曲性能的影响木粉含量对PVC木塑复合材料弯曲性能的影响见表4。表4木粉含量对PVC木塑复合材料弯曲性能的影响由表4可知:随着木粉含量的增加,PVC木塑复合材料的弯曲性能先逐渐提高,主要原因为纤维状态的木粉起到了增强作用;当木粉含量增加至70%时,木粉含量过多,PVC相与木粉相分层导致弯曲性能下降。表3中弯曲性能的变化规律也与图1吻合。

5结语

采用DPD方法模拟了PVC共聚树脂与木粉的相容及分布情况,在介观尺度模拟了木粉在材料中的聚集状态,根据模拟结果预测不同木粉用量下材料的力学性能,并通过试验进行了验证。结果表明:通过DPD方法能很好地预测木粉含量对PVC木塑复合材料力学性能的影响,可以为材料的配方优化设计提供理论依据,缩短试验时间,降低试验成本。

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