基于基团贡献法和分子动力学法预测聚芳酰胺的玻璃化转变温度

作     者：李永成 

作者单位：南华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴红枚

授予年度：2017年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070305[理学-高分子化学与物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 

主      题：基团贡献法 分子动力学模拟 玻璃化转变温度 聚间苯二甲酰间苯二胺 聚对苯二甲酰对苯二胺 聚间苯二甲酰对苯二胺 聚四联苯-2,6-二甲酰对苯二胺 聚4’’-酰胺基四联苯-2,6-二甲酰对苯二胺 

摘      要：高分子的玻璃化转变温度是高分子的一项重要性质,它直接影响到高分子材料的使用性能,对选择与设计新材料也具有非常重要的意义。使用基团贡献法研究了不同链长的聚间苯二甲酰间苯二胺(MPDI)和聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)的玻璃化转化温度,发现玻璃化转变温度随着聚合度的增大而增大,当聚合度达到临界值时,玻璃化转变温度到达了一个平台区,不再发生显著变化。使用分子动力学模拟方法并结合密度-温度、比体积-温度、径向分布函数-温度、回转半径-温度和非键能-温度关系图的分析,计算得到了MPDI和PPTA的玻璃化转化温度,发现几种计算结果非常接近。将基团贡献法和分子动力学模拟法的结果与实验数据进行了对比,结果表明,基团贡献法得到的玻璃化转变温度较实验值低,而分子动力学模拟方法得到的玻璃化转变温度较实验值高,但都与文献中的数据接近,说明基团贡献法和分子动力学模拟可以用来研究全芳香族聚酰胺的玻璃化转变温度。将上述方法推广到三种新的芳香族聚酰胺聚合物中,预测了聚间苯二甲酰对苯二胺(PPIA)、聚四联苯-2,6-二甲酰对苯二胺(Auxe a)和聚4’’-酰胺基四联苯-2,6-二甲酰对苯二胺(Auxe b)的玻璃化转变温度。使用基团贡献法研究了不同链长的三种芳酰胺聚合物的玻璃化转变温度,发现其玻璃化转变温度随着聚合度的变化规律与PPTA和MPDI类似,同样存在临界分子量和平台区的现象。使用分子动力学模拟方法并结合密度-温度、比体积-温度、径向分布函数-温度、回转半径-温度和非键能-温度关系图的分析,计算得到了这三种芳酰胺聚合物的玻璃化转变温度。对于PPIA而言,基团贡献法计算得到的玻璃化转变温度为554.4K,从密度-温度、比体积-温度、回转半径-温度、非键能-温度和径向分布函数-温度关系图的分析得到的玻璃化转变温度分别为593.6 K、594.1 K、592.2 K、594.3 K、592.5 K。对于Auxe a而言,基团贡献法计算得到的玻璃化转变温度为498.6 K,从密度-温度、比体积-温度、回转半径-温度、非键能-温度和径向分布函数-温度关系图的分析得到的玻璃化转变温度分别为521.2 K、522.0 K、523.2 K、522.3 K、523.7 K。对于Auxe b而言,基团贡献法计算得到的玻璃化转变温度为498.4 K,从密度-温度、比体积-温度、回转半径-温度、非键能-温度和径向分布函数-温度关系图的分析得到的玻璃化转变温度分别为518.1 K、517.9 K、519.4 K、519.3 K、519.2 K。上述预测结果说明,PPIA的玻璃化转变温度介于PPTA和MPDI之间,有希望发展成性能介于芳纶1313和芳纶1414之间的新型芳香族聚酰胺纤维。由于Auxe a与Auxe b的主链上四联苯结构的设计使得分子间距离增大较多因而使得Auxe a与Auxe b的玻璃化转变温度较PPIA下降,同时Auxe b的侧基上酰胺基团的引入使得其玻璃化转变温度较Auxe a有所下降,但幅度很小。