PVC木塑復合材料的分子模擬

龐磊，陳華，歐陽司晨，徐偉，劉濤，闞國濤，高勇

(宜賓天億新材料科技有限公司，四川 宜賓 644000)

木塑復合材料是用植物纖維增強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、環保(可回收利用)等優點[1]。植物纖維的主要成分是纖維素，而纖維素主要由葡萄糖單元組成。葡萄糖單元中含有大量的羥基，會形成分子間和分子內氫鍵，所以植物纖維具有強極性，因此弱極性的PVC與木粉之間的界面黏結力很小，相容性極差。當木粉填充量較高時，PVC木塑復合材料的力學性能下降，物料的流動性能和加工性能變差，混煉和擠出成型難度加大[2-3]。因此，根據市場需要，宜賓天億新材料科技有限公司開發了一種適合高木粉填充的PVC共聚樹脂，提高了木粉中纖維素與PVC的作用力，從而可提高產品中木粉的用量，增加產品的木質感，并且可提高產品的力學性能。

筆者采用耗散粒子動力學的方法模擬了PVC共聚樹脂與木粉的相容及分布情況。

1 建立模型

1.1 耗散粒子動力學

傳統的計算機模擬方法集中在分子/原子尺度和宏觀尺度。基于研究原子和電子級的一些簡單系統，量子力學和分子動力學方法是非常有效的，可以精確地計算原子和分子之間的相互作用，但計算量非常大[4-5]。Hoogerbrugge 和 Koelman在1992 年首次提出了耗散粒子動力學(Dissipative Particle Dynamics，DPD)，其可以用來模擬復雜流體的動力學現象[6]。它的基本思想就是用一個“珠子”代替分子流體中的一團物質或者部分基團，珠子的運動速度、位置和軌跡符合牛頓運動方程。因此，它能夠在更長的時間尺度和更大的空間尺度上對復雜體系進行模擬，同時在粗粒化過程中系統內在的性質卻沒有改變[7]。

1.2 球棒模型的建立

在 DPD 方法中，首先要對體系的分子進行粗粒化，即將分子中的一部分基團或原子用一個珠子代替，盡可能用相對簡單的結構代替原來的分子，并保持分子的特征不改變。筆者對PVC木塑復合材料的粗粒化結果為：a代表硬脂酸，b代表有機錫穩定劑，c代表ACR，d代表木粉，e代表PVC共聚樹脂。

模擬基本配方：PVC共聚樹脂，100份；木粉，變量；有機錫穩定劑，2份；ACR，5份；硬脂酸，1.5份。

對各組分的粗粒化完成后，計算各珠子間的相互作用參數，彈性常數設定為C=4。用 Materials Studio 軟件的 DPD 模塊進行模擬計算，每一個計算都進行 20 000步，其步長為0.05 ns。用 Materials Studio 軟件中 Synthia 模塊在 Compass力場下計算以及查閱高分子手冊得出各珠子(重復單元)在300 K溫度下的溶解度參數。各珠子的 Flory-Huggins 參數見表1。

表1 各珠子的Flory-Huggins參數

2 DPD模擬

根據上述參數，進行了不同木粉含量(質量分數，下同)下的PVC木塑復合材料的模擬計算，結果見圖1。圖1中左邊的圖片為整個PVC木塑復合材料的組分分布，右邊的圖片為除去PVC后其他組分的分布。模擬計算配方：PVC共聚樹脂100份，木粉變量，穩定劑2份，ACR 5份，硬脂酸1.5份。

(a)30%

(b)40%

(c)50%

(d)60%

(e)70%

由圖1可知：木粉含量為30%～40%時，其呈球狀的分布狀態，幾乎完全被包覆于材料內部；木粉含量為50%時，其呈纖維狀分布狀態，有部分裸露在材料表面，這樣的結構可以增加材料縱向上的力學性能；木粉含量為60%時，其在材料中呈互穿網絡的結構，可使材料各個方向的力學性能都得以提升；木粉含量為70%時，其與PVC基體兩相分離，會導致材料的力學性能急速下降。

3 驗證試驗

3.1 主要原料

PVC共聚樹脂，宜賓天原集團股份有限公司；其他助劑，市售。

3.2 儀器與設備

電子萬能試驗機，WDT-W-100KN，承德市精密試驗機有限公司；沖擊試驗機，XJC-500，承德市精密試驗機有限公司；啞鈴型制樣機，XYZ-70，承德市金建檢測儀器有限公司；缺口制樣機，QKD-V，承德市精密試驗機有限公司；雙輥開煉機，X(S)K，上海雙翼橡塑機械有限公司；平板硫化機，XH-406B，東莞市錫華精密檢測儀器有限公司。

3.3 制樣

樣品配方與模擬計算配方相同。按配方稱量物料，先通過雙輥開煉機塑化及分散，前后輥溫度設定為180 ℃，輥速為40 r/min；再經過平板硫化機硫化制片，硫化溫度設定為175 ℃，熱壓時間設定為5 min，冷壓時間設定為2 min。樣片通過專用制樣工具裁剪成測試樣條，靜置48 h后進行力學性能檢測。

3.4 測試標準

拉伸強度和斷裂伸長率按照GB/T 1040—1992《塑料拉伸性能試驗方法》進行測試。

懸臂梁缺口沖擊強度按照GB/T 1843—1996《塑料懸臂梁沖擊試驗方法》進行測試。

彎曲強度與彎曲模量按照GB/T 9341—2000《塑料彎曲性能試驗方法》進行測試。

4 結果與討論

4.1 木粉含量對PVC木塑復合材料拉伸性能的影響

木粉含量對PVC木塑復合材料拉伸性能的影響見表2。

表2 木粉含量對PVC木塑復合材料拉伸性能的影響

由表2可知：隨著木粉含量的增加，PVC木塑復合材料的拉伸強度先逐漸提高，這是因為木粉在PVC木塑復合材料中以纖維狀自組裝，而PVC通過共聚改性提高了其與木粉之間的相容性，木粉在復合材料中更容易分散，起到了很好的增強作用。當木粉含量為60%時，PVC木塑復合材料的拉伸強度達到最大值99 MPa。當木粉含量繼續增加到70%時，PVC木塑復合材料的拉伸強度降低到了65 MPa，這是因為此時木粉含量過多，PVC相與木粉相開始分層，導致拉伸強度降低。表1中拉伸強度的變化規律與圖1吻合。

4.2 木粉含量對PVC木塑復合材料沖擊強度的影響

木粉含量對PVC木塑復合材料沖擊強度的影響見表3。

表3 木粉含量對PVC木塑復合材料沖擊強度的影響

由表3可見：隨著木粉含量的增加，PVC木塑復合材料的沖擊強度先逐漸提高，主要原因是木粉降低了沖擊產生銀紋斷裂的概率；當木粉含量增加至70%時，木粉含量過多，產生團聚，在沖擊過程中團聚的位置容易形成力學缺陷，導致沖擊強度急劇下降。 表2中沖擊強度的變化規律也與圖1吻合。

4.3 木粉含量對PVC木塑復合材料彎曲性能的影響

木粉含量對PVC木塑復合材料彎曲性能的影響見表4。

表4 木粉含量對PVC木塑復合材料彎曲性能的影響

由表4可知：隨著木粉含量的增加，PVC木塑復合材料的彎曲性能先逐漸提高，主要原因為纖維狀態的木粉起到了增強作用；當木粉含量增加至70%時，木粉含量過多，PVC相與木粉相分層導致彎曲性能下降。表3中彎曲性能的變化規律也與圖1吻合。

5 結語

采用DPD方法模擬了PVC共聚樹脂與木粉的相容及分布情況，在介觀尺度模擬了木粉在材料中的聚集狀態，根據模擬結果預測不同木粉用量下材料的力學性能，并通過試驗進行了驗證。結果表明：通過DPD方法能很好地預測木粉含量對PVC木塑復合材料力學性能的影響，可以為材料的配方優化設計提供理論依據，縮短試驗時間，降低試驗成本。