聚多联苯2,6-二甲酰对苯二胺的力学性能模拟.pdf

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1、VoI．36高等学校化学学报No．72015年7月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSrⅡES1416～1421doi：10．7503／cjcu20150201聚多联苯2，6-二甲酰对苯二胺的力学性能模拟赵耀，吴红枚，黄慧君，王榆元，王孟，丁勇(南华大学化学化工学院高分子材料与工程系，衡阳421001)摘要设计了一类线型聚多联苯2，6-ZI~1酰对苯二胺聚合物，并对聚合物分子模型进行了计算机模拟，通过分子力学和力学性质模块的计算得到了聚多联苯2，6-二甲酰对苯二胺的一些力学参数．模拟结果表明，聚多联苯

2、2，6-二甲酰对苯二胺类型芳酰胺聚合物通过自组装可以呈现类倒插蜂窝结构排列，除聚二联苯2，6--~1酰对苯二胺和聚三联苯2，6-二甲酰对苯二胺以外，该系列聚合物在xy平面内均具有负泊松比．关键词拉胀聚合物；聚多联苯2，6-二甲酰对苯二胺；力学性能；计算机模拟；负泊松比中图分类号0631文献标志码A拉胀聚合物材料⋯是近些年发展的一类具有负泊松比效应的新型聚合物材料．负泊松比效应是指材料在受到拉伸时，在弹性范围内横向发生膨胀，受到压缩时，横向发生收缩．拉胀聚合物材料的设计和合成主要分为2类．第一类是通过对现有高分子材料品种进行特殊

3、加工处理后制得拉胀高聚物．如Lakes_6报道的世界上第一个人工制成的聚氨酯材料，泊松比为一0．7；Evans等制备的多孔聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯树脂也具有拉胀性．第二类是从获得分子水平上的拉胀性这一目标出发进行设计和制造拉胀聚合物．如Evans等对具有凹式蜂窝状结构的网络结构进行了分子设计和计算机模拟，得到了负泊松比的预测结果；Baughman等发现由聚二炔链组成的三维网络也可表现出拉胀性．Grima和Evans【12]则提出由多个大小不等的三角形炔链构成的二维聚三角炔网络理论上也具有负泊松比．我们¨3IH曾报道了凹酯、

4、凹醚和凹酰胺3种具有拉胀性的分子网络和单箭头、双箭头形小分子通过氢键自组装形成拉胀分子网络的分子设计．从合成角度考虑，线型聚合物相比网络结构的合成要简便得多，为此，我们设计了一类线型芳香族聚酰胺聚合物——聚多联苯2，6．二甲酰对苯二胺，通过分子力学¨和力学性质模块的联合计算，预测了聚多联苯2，6．二甲酰对苯二胺类聚合物的力学性质．计算结果表明，聚多联苯2，6一二甲酰对苯二胺聚合物通过自组装可以呈现类倒插蜂窝结构排列，除聚二联苯2，6一二甲酰对苯二胺和聚三联苯2，6一二甲酰对苯二胺以外，该系列聚合物在y平面内均具有负泊松比．1实

5、验部分1．1计算原理力学性能的模拟是利用MaterialsStudio软件中的Forcite模块进行的，该模块中关于力学性质的计算方法是分子力学方法中的恒定应变法．Theodorou和SurerLl指出，对体系进行能量极小优化后，得到一系列最低能量的无定型结构，并且向每一个结构施加l2种形变，其中包括3对单方向拉伸／收缩和3对剪切作用．因此弹性刚度系数可以从形变能量的二阶导数或者应力的一阶导数获得，我们选择精度更高的一阶导数法．刚度矩阵的各元素可以由下式计算得到：C=／Oei(1)式中，代表应力，8代表应变．通过求逆可以得到柔

6、量矩阵：收稿日期：2015-03-03．网络出版日期：2015-05-29．基金项目：国家自然科学基金(批准号：21104031)和南华大学研究生科研创新项目(批准号：2014XCX10)资助联系人简介：吴红枚，女，博士，副教授，主要从事功能高分子研究．E—mail：wuhongmei@gmail．cornNo．7赵耀等：聚多联苯2，6-二甲酰对苯二胺的力学性能模拟S=C(2)体积可压缩度也可以由柔量矩阵得到：=S(1，1)+s(2，2)+S(3，3)+2[s(3，1)+S(2，1)+S(3，2)](3)体弹性模量即为可压缩度

7、的倒数：B：1／IB(4)3个方向上的杨氏模量由下式计算得到：Ex，Ey，‘5)泊松比通过柔量矩阵计算：P一()，一一()，，一一()xy一一而’一丽’一丽，、，一一一莉(兰)’，一一莉(兰)’，一一丽(三)1．2分子模型与模拟方法Gibson和Ashby

8、1。在对蜂窝泡沫材料的力学性质的研究中发现，常规正六边形蜂窝结构中的正六边形的上下2个顶点下凹后所得到的倒插蜂窝结构具有负泊松比．基于这个几何模型，我们设计了一类芳酰胺聚合物——聚Ⅳ联苯2，6一二甲酰对苯二胺(Ⅳ为垂直方向的脊柱上苯环的数目)，其典型结构如图1所示．该聚合物

9、呈锯齿形构造，通过分子间作用力和自身结构的几何构型能够形成类倒插蜂窝类结构，可以获得负泊松比．利用MaterialsStudio软件中的Forcite模块进行模拟计算．在建模完成后，利用Forcite中的Geometryoptimization对所构建的分子模型进行结构优化，