不同固化剂对环氧树脂玻璃化温度影响的分子动态模拟研究

不同固化剂对环氧树脂玻璃化温度影响的
分子动态模拟研究
李楚新1,2,吴超富1,徐伟箭13
(11湖南大学化学化工学院高分子研究所,湖南长沙410082;21中国石化巴陵有限责任公司,湖南岳阳414014)
摘　要:提出了一个分子动态模拟方法研究环氧树脂玻璃化转变温度(T g )随固化剂结构变化。

首先,建立了固化环氧树脂的一些简单分子模型;然后是一个分子动态模拟(MD )被重复执行。

用模拟得到的数据作V -T 关系曲线,用曲线上的转折点确定T g 的值。

该模拟值与计算值有很好的吻合,尽管与实验值有较大的偏差,固化剂对T g 的影响可以用MD 模拟定性得到。

所提出的方法对于开发具有提高固化效果的固化剂有潜在的意义。

关键词:固化剂;环氧树脂;分子动态模拟;玻璃化温度
中国分类号:TQ32315 文献标识码:A 文章编号:1002-7432(2006)06-0029-03
E ffect of hardeners with different structure on glass transition temperature of
cured epoxy resins :A molecular dynamic simulation approach
L I Chu -xin 1,2,WU 1Chao -fu ,XU 1Wei -jian 3
(11Instit ute of Polymer Research ,Depart ment of Chem ist ry and Chem ical Engi neeri ng ,Hunan U niversity ,Changsha 410082,Chi na ;21Science and Technology Development Depart ment ,
S i nopec B ali ng Pet rochem ical Co.,L t d.,Y ueyang 414014,Chi na )
Abstract :In this work ,a methodology was developed to investigate how glass transition temperature (T g )of cured epoxy resins varied with different hardeners.Several simple models of cured epoxy resins were firstly con 2structed ;Then a routine molecular dynamic simulation (MD )on said models was performed repeatedly.By plot 2ting a V -T curve with the data from MD ,T g was determined ,which was compared well with calculated val 2ues and could qualitatively explain the effect of structure on glass transition of amine crosslinked epoxies although its absolute value having a big deviation from experimental results.The developed methodology had a potential to significantly impact on the design and development of new hardeners with improved curing effect.K eyw ords :hardener ;epoxy resin ;molecular dynamic simulation ;glass transition temperature 【收稿日期】2006-05-18;【收稿日期】2006-10-25
【作者简介】李楚新(1973-),男,硕士研究生,主要从事功能高分子材料的合成与应用研究。

3通讯联系人
0　引　言
玻璃化转变温度(T g )决定了处理和应用环氧树脂类热固性树脂材料的温度范围,对于理解力学性能和其他的性能很有帮助,是这些材料重要的性能之一[1]。

因此,在设计合成具有所需性能的新材料之前预测T g 很有应用价值。

对于固化的环氧树脂玻璃化温度已有许多的预测方法。

归纳起来,有L.E.Nielsen [2]和DiMarzio [3,4]提出的经验方程,以及Porter 的基团贡献模型化方法[1,5]、Bicerano 的
连接指数方法[6]等半经验方法。

在本文中连接指数方法得到的值将被用来与模拟的结果进行比较。

除此之外,分子模拟的方法也是可选的方法。

与上面提及的几种方法相比,详细的原子模拟可以提供机理或原理方面的信息;从长远来看,是非常具有吸引力的。

然而,这些模拟为了获得有实际有用的结果通常需要消耗昂贵的机时;还不适合于固化环氧系统的研究。

本文的目的是提出一个简单可行的方法用以预测不同固化剂固化的环氧树脂的玻璃化转变温度。

该方法包含2个步骤:构建分子模型和操作分子模拟。

通过比较模拟结果与计算或实验结果来检验该方法。

然后考察固化剂对相应的固化环氧树脂的
・
92・　第21卷第6期Vol 121　No 16　2006年11月Nov.2006热固性树脂
Thermosetting R esin
影响。

　1　模拟的方法
一个实际应用的环氧系统通常包含如下几种主要的成分:环氧树脂,固化剂,颜料,溶剂以及其他的添加剂。

然而在本文中环氧系统只局限于树脂组分和固化剂组分,此两者在实际应用中是不可缺少的。

所选的树脂组分为单一双酚A 二缩水甘油酯(D GEBA ),而固化剂组分分别为二(4-氨苯基)砜(DDS )和间二苯胺(PDA )(图1),这些都是环氧系统中常用的物质,并且相应的固化环氧树脂实验数据可得。

因此,本工作代表了初步的研究,进一步的研究将包含其他主要组分更为实际的模型。

图1　选用的树脂及固化剂的结构
111　固化环氧系统的分子模型
胺诱导固化环氧化合物及接下来的交联化学非
常复杂,许多竞争反应已被证实[7],这使得固化的环氧网络结构存在不确定性。

因此为了研究该系统,必须作一些简化。

J.M.Barton 研究了一个线型的环氧模型化合物,并将所获得的信息作为理性设计新材料的基础[7,8]。

在本工作中,采用了一个与Ian Hamerton [9]相似的环氧树脂的简单模型来预测其玻璃化转变温度。

固化的环氧树脂用环氧树脂预聚物与固化剂的随机共聚物代替,两者物质的量比为2∶8。

在Cerius 2程序[6]中构建的两单体的重复单元如图2所示,h 代表头,t 代表尾。

具有10个重复单元的随机共聚物在Cerius 2程序的polymer 模块中建立。

由上述方法得到聚合物链,然后用分子力学能量优化方法松弛,用电荷平衡方法Qeq 分配电荷。

此过程交替进行直至能量与电荷均收敛。

为模拟聚合物本体的效果,10个具有三维周期性边界条件的无定形聚合物构象由Monte Carlo 方法产生,其中能量最小的构象被进一步用来作分子动态模拟。

这个模型被期望反映环氧树脂组分的共聚效果,而交联的效果将被忽略。

图2　树脂及固化剂的重复结构单元
112　玻璃化转变温度的分子动态模拟
分子动态模拟方法已被广泛应用于线形聚合物系统以预测其玻璃化转变温度[10～13]。

该方法同样适用于111构建的环氧树脂固化物的分子模型。

在
初始的模型建立以后,能量优化至不再变化。

所得到的结构在NVT 系统中以1飞秒(1飞秒=10-15s )为积分步骤于600K 的温度下执行1000个时间步。

不使用截断距离。

然后在NPT 系统中以1飞秒为积分步骤于600K 的温度下执行10000个时间步。

从600K 开始每间隔50K 重复以上过程,最后的温度点为200K 。

将该方法分别应用于D GEBA -DDS 随机共聚物和D GEBA -PDA 随机共聚物。

对
于每一个被模拟的系统,在每一个温度点上,三维
周期系统的体积被记下作为后面分析的基础。

在整个模拟的过程中,均使用Dreiding 力场。

总的势能被表达为键能项和非键能项。

键能项包含键伸缩能、键角弯曲能、二面角扭转项等;而非键能项为van der Waals 相互作用和C oulombic 相互作用项。

模
拟用到的其他参数均采用程序本身的默认值。

2　结果与讨论对2个环氧系统模拟得到的数据集作V -T 曲线,在T g 上下的数据点近似为一直线,玻璃化转变温度被确定为曲线的拐点,在该点对应的温度时系统的体积发生剧烈的变化(图3、4)。

图3　模拟的随机聚合物DGE BA -DDS 的体积—温度关系
・03・热固性树脂第21卷　
图4　模拟的随机聚合物DGE BA-PDA的体积—温度关系
结果与计算值和实验值相比较(计算值来源于Cerius2.synthia的QSPR预测,实验值来源于文献)很明显,分子动态模拟的结果与QSPR预测值吻合得很好,但与实验值有较大的偏离(见表1)。

这些方法所基于的理论可能是产生这些差别的一个合理的解释。

与一般的基团贡献方法相比,QSPR方法使用连接指数相关预测,MD模拟方法则考察了分子构象的运动,而实验通常采用的DSC方法根据在玻璃化转变温度(T g)附近系统热流的突变原理。

这些方法都基于一个共同的事实:在T g附近,分子系统的某些性质产生突变。

模拟与理论方法的微小差别在于模拟方法考察了分子系统更为详细的分子构象信息,而理论方法只与分子系统的一级结构相关。

利用这一点,在MD 模拟之前进行QSPR的计算可以缩小温度考察的范围从而大大节省机时。

另外,分子模拟方法考察了分子内和分子间的详细相互作用,对于QSPR相同的初始模型将给出更准确的结果。

这2种方法得到的结果与实验结果有较大偏差,这可能主要是由于化学结构的交联效应不能忽略,可能的原因还有:模型分子使用了较低的分子质量;模拟过程与速率相比实验更快,这是因为计算资源的限制。

T g随固化剂结构变化的趋势在可接受的范围之内仍可被准确地预测(T gDGE BA-DDS>T gDGE BA-PDA)。

这可以认为交联效果对于研究的2种固化物是相等的,而且,化学结构的刚性以及分子间的相互作用对T g的效果可以用自由体积理论和分子的运动得到解释[14]。

另外,既然化学结构和交联的效果不能忽略,环氧树脂的分子结构模型的合理性在MD模拟和QSPR计算中显得特别地重要。

为了获得T g的绝对值,提出一个更接近于实际情况的分子模型非常必要。

这方面的工作将在以后的工作中陆续报道。

表1　2种环氧固化体系的玻璃化温度 (K)
MD模拟QSPR计算实验值
D GEBA-DDS412410493
D GEBA-PDA4064014513　结　论
采用MD模拟固化环氧树脂的简单模型预测了其玻璃化转变温度。

模拟中,获得一些引起玻璃化转变的机理方面的知识。

这个方法可以用来预测不同结构固化剂对T g的影响。

在开发新的环氧固化剂时,模拟之前进行QSAR预测可以节省时间。

但是为了预测T g的绝对值,还需要进一步的研究。

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　第6期李楚新等:不同固化剂对环氧树脂玻璃化温度影响的分子动态模拟研究。