橡膠納米復合材料的計算機模擬和發展

馬丹丹

（佳木斯大學信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯 154000）

橡膠常用于準備動態下使用制品，熱量聚集高溫對橡膠制品性能有巨大損害。輪胎用橡膠復合材料加入炭黑等粉體，隨著新型納米材料發現與可控合成，橡膠納米復合材料是實現高效增強必要手段。二維片狀與一維桿狀，橡膠納米復合材料關鍵結構與性能，界面結合，靜動態力學，總結借助計算機模擬技術對關鍵基礎科學問題研究成果，采用典型珠簧模型模擬橡膠分子鏈，模擬立場包括Lennard-Jones相互作用能力，模擬非鍵和能與鍵和能。

1 橡膠納米復合材料簡介

近年來，納米科技成為科研焦點發展迅速，納米復合材料是重要研究內容，將納米粉化學結構引入聚合物使復合材料具有特殊功能。同塑料是具有高度伸縮性材料，成為現代工業中重要戰略資源。橡膠制品通常在動態下使用，如減震墊電極傳動帶等［1]。橡膠產生熱量不及時傳遞在制品內聚集高溫，降低橡膠復合材料的力學性能。

材料的復合是材料發展的必然規律，復合材料是將金屬，高分子等材料組合為多相材料，賦予復合材料高強輕質產生原始組分不具備的優越性能。在高技術領域如航空等產業中獲得重要應用。納米復合材料最早在80年代由Roy提出，是材料兩相顯微結構中有一相一維尺度以納米級存在，納米原為長度單位，隨著科技發展賦予深層次含義。納米尺度研究是介觀領域，提供了嶄新的認識方式。納米粒子具有常規微細粉末材料不具備特性，如表面與界面效應，特殊的光電磁特性。高溫下高強優良穩定性等。橡膠納米復合材料按納米分散相形態可分為納米粉，片層復合材料。橡膠工業傳統補強劑是白炭黑，炭黑在橡膠工業中占有重要地位。白炭黑混煉時使用分散劑，補強劑原生粒子尺寸很小，炭黑與白炭黑有納米材料大多特性。根據炭黑原生粒子及其在橡膠基質聚集體尺寸，炭黑與白炭黑增強橡膠為納米復合材料范疇。橡膠基體中太黑以二次聚集形式存在，但聚集體為松散的結合體。二次聚集體對增強效果產生影響，但發揮作用的是原生粒子。許多場合得到較好的應用是短纖維，短纖維取得優異性能需要進行取向，短纖維為不相容體系，除原位生成短纖維復合體系，短纖維為干混入橡膠，無法保持很大長徑比，不能提高復合材料性能。短纖維達到較高強度使橡膠彈性損失，現有納米纖維種類較少，不易在與橡膠混合后獲得較好長度保持率。

2 納米橡膠復合材料計算機模擬研究

模擬表面接枝化學改性納米顆粒在橡膠分子鏈分散行為，研究分子鏈與顆粒界面相互作用，接枝分子鏈與密度對分散影響。對平衡態體系界面相互作用為εnp＝2時，顯示獲得最佳分散【2】。通過計算周圍納米顆粒平均數目，定量驗證結果。

計算顆粒相互作用能與周圍納米顆粒數目，表面改性劑對插層動力學的影響。表征分子鏈在層間取向排列，隨著分子鏈與板作用能增大更明顯。桿狀顆粒發現存在最佳界面作用獲得均勻分散顆粒。

復合材料將橡膠基體傳遞給納米顆粒取決于界面結合，考察分子鏈與納米顆粒界面結合狀態，表明界面尺寸為分子鏈方根回轉半徑Rg，弱界面作用下，分子鏈垂直于顆粒表面吸附。界面區由不同分子鏈鍛構成。界面區分子鏈取向與活性由界面焓控制。強界面下發現界面區分子鏈具有活動性，與實驗報道界面存在聚合物玻璃層結果相反。探討橡膠分子鏈與納米顆粒界面相互作用，類似氫鍵作用下，出現聚合物玻璃化層，對界面區分子鏈吸附力學過程進行表征。

納米顆粒加入提高橡膠基體力學性能，模擬單軸拉伸發現界面作用下，分子鏈取向存在最佳填充分數，球狀納米顆粒增強橡膠來自顆粒誘導分子鏈取向，隨著界面理化作用增強更明顯。納米增強顆粒增強塑料基體效果差原因是引入納米顆粒降低拉伸分子鏈取向度。提出臨界離子間距解釋復合材料拉伸強度渝滲現象。

制備綠色輪胎首要問題是降低輪胎用橡膠納米復合材料滯后損失，模擬碳模擬彈簧引入對橡膠基體粘彈性影響，研究表明碳納米彈簧具有力學可恢復變形，可用粘彈性模擬描述。對拉伸恢復過程模擬，發現體系動態滯后損失隨碳納米彈性系數增加減小分析原因是隨著碳納米彈簧彈性系數增強，恢復中有效帶動周圍橡膠分子鏈運動，為工業植被低滯后損失輪胎提供科學依據，實驗發現體系儲能模量隨應變幅度增大變小，非線性行為稱為Payne效應，增大體系滯后損失。模擬不同分散狀態下模量應變變化，對納米顆粒直接接觸聚集，與通過吸附分子鏈連接成不同初始分散體系，非線性行為明顯。前者Payne效應由顆粒接觸聚集引起。

3 結語

橡膠納米復合材料表現為對分子鏈從重復單元→分子鏈回轉半徑，對球狀填充顆粒從原生粒子→聚集體，對各向異性顆粒長徑比達1000左右容易團聚。計算機模擬建立橡膠復合材料微觀結構與性能關系。需要系統模擬在動態應變與鏡頭拉伸下演化行為，建立復合材料雙網絡結構模型，構建網絡結構參數與動態粘彈性，動態裂紋引發與擴展的定量模型。