【材料】Macromolecules | 玻璃形成过程中交联密度与内聚能的竞争效应
【材料】Macromolecules | 玻璃形成过程中交联密度与内聚能的竞争效应
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以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
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英文原题： Competing Effects of Cohesive Energy and Cross-Link Density on the Segmental Dynamics and Mechanical Properties of Cross-Linked Polymers
通讯作者 ： 郭雅芳，北京交通大学；Jack F. Douglas，美国国家标准技术研究所（National Institute of Standards and Technology）；夏文杰，北达科他州立大学（North Dakota State University）
作者 ： Xiangrui Zheng（郑香蕊），Yafang Guo（郭雅芳），Jack F. Douglas，Wenjie Xia（夏文杰）
背景介绍
当对聚合物熔体进行降温、加压或对聚合物进行聚合反应时，会导致材料发生玻璃化转变，此时材料的结构松弛行为急剧减慢，而力学性能明显提升。大量关于聚合物玻璃形成过程的实验、模拟及理论证明：分子参数，如添加剂、分子化学结构以及材料拓扑结构等因素，都会对聚合物材料玻璃形成过程中的松弛动力学行为以及力学性能造成重要影响。但是之前的相关模拟工作大多基于线性聚合物，交联网络聚合物由于其复杂的三维交联结构，玻璃形成过程更加复杂，玻璃形成机制尚不清晰。鉴于交联热固性聚合物在结构工程等领域的广泛应用，从分子尺度理解交联聚合物材料的玻璃形成过程具有重要的物理意义。
文章亮点
近日， 美国北达科他州立大学夏文杰教授，美国国家标准技术研究所Jack F. Douglas 和北京交通大学郭雅芳教授团队合作，利用粗粒化分子动力学方法分析了交联网络聚合物中交联密度和内聚能对材料玻璃形成过程中结构松弛行为以及力学性能的影响 。
研究表明，提高材料的交联密度或者内聚能会导致材料的结构松弛行为明显减缓，并伴随着玻璃化转变温度增加。但交联密度与内聚能在交联聚合物玻璃形成的脆性方面表现出了相反的作用效果。增加交联密度导致材料玻璃形成脆性增加，而提高材料的内聚能则会导致材料脆性降低。交联密度与内聚能对玻璃形成脆性的相互竞争效应使得预测材料松弛行为以及材料设计更加困难。
图1. 玻璃形成的结构松弛行为
提高材料的交联密度以及内聚能均有利于提升材料的力学性能。材料的剪切模量以及体模量均与微观物理量德拜–沃勒参数表现出定量关系，因此德拜–沃勒参数被用来量化材料局部分子刚度。提高材料的内聚能密度不仅会明显提升材料的整体分子刚度，并且使得分子局部刚度分布更加不均匀。相比于内聚能，交联密度对力学性能的影响相对更温和。
图2. 局部分子刚度空间分布
总结/展望
该工作主要研究了交联聚合物中交联密度与内聚能对玻璃形成过程中结构松弛动力学行为以及力学性能的影响，分析了交联密度与内聚能对玻璃形成脆性的竞争作用，为交联聚合物玻璃形成机制提供了物理解释。
相关论文发表在 Macromolecules 上，北京交通大学博士研究生 郑香蕊 为文章的第一作者， 北京交通大学郭雅芳教授、美国国家标准技术研究所 Jack F. Douglas；美国北达科他州立大学夏文杰助理教授 为共同通讯作者。
通讯作者信息 ：
夏文杰 美国北达科他州立大学
夏文杰，美国北达科他州立大学土木建筑和环境工程系助理教授。主要研究方向包括软物质的多尺度模型，聚合物纳米材料的材料设计，以及结构材料的热机械行为。
课题组主页：
https://xia-group.org/
Jack F. Douglas 美国国家标准技术研究所
Jack F. Douglas 美国国家标准技术研究所研究员。主要从事聚合物及其复合材料热力学行为的理论及模拟分析。
郭雅芳 北京交通大学
郭雅芳，北京交通大学物理科学与工程学院力学系教授。主要研究方向包括材料和结构的失效机理及强度分析，以及新型材料和结构的力学行为等。
个人主页：
https://faculty.bjtu.edu.cn/spse/7615.html
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Macromolecules 2022, 55, 9990−10004
Publication Date:November 8, 2022
https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c01719
Copyright © 2022 American Chemical Society