石墨烯诱导聚乙烯结晶的分子动力学模拟研究文献综述

文 献 综 述

一 聚乙烯

聚乙烯（PE），分子式[-CH₂-CH₂-]_n，CAS:9002-88-4，是以乙烯单体聚合而成的聚合物，为结晶热塑性树脂。它们的化学结构、分子量、聚合度和其他性能很大程度上均依赖于使用的聚合方法。聚合方法决定了支链的类型和支链度。结晶度取决件分子链的规整程度与其所经历的热历史。

超高分子量聚乙烯(U HMW PE) 具有高模量、自润滑、无毒等多种优良性能, 但熔体的粘度大, 流动性差, 难于加工, 其主要原因在于聚合过程形成的分子链聚集结构难于完全熔融，目前对高分子初生态生成的结构在分子水平上认识甚少。^[1-2]在每1000个碳原子中含有15~25个甲基侧链以及少量的和丁基侧链，由于侧链或支链降低了分子的规整度，所以，会含大量支链的PE结晶度、密度和刚性均低。HDPE的支化低，每1000个碳原子的主链上只有5-7个乙基侧链，故而结晶高，密度、刚性和硬度等性能均较好。度上依赖于聚合物的分子量、支化度和结晶度，如断裂伸长率主要取决于PE密度高和结晶度大，其力学性能就好，但延展性就差，所以，了解聚乙烯结构会对其结构改性和其他改性有很大帮助。

二 结晶

结晶在聚合物材料, 尤其是结构比较规整的聚合物材料中普遍存在。同时, 聚合物的结晶结构直接影响材料的性能, 所以聚合物的结晶一直是科学家研究的热门课题^[3-5]。聚合物的结晶过程总是伴随一些物理量（如焓、熵、构型构象、体积等）的变化，人们可以通过测定这些物理参数的转变来研究聚合物的结晶过程：结晶成核、晶体生长、晶体完善^[6]。

三 石墨烯

一个原子厚度、sp2杂化的二维层状石墨烯具有一系列不寻常的力、热和电学性质。石墨烯独特的力学性质已经吸引许多国际研究组织用它来进行加强材料的研究。石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，其强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速 1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。尽管碳纳米管具有显著的物理性质，这些理论优点已经使它们作为聚合物添加物的候选之一。但是，碳纳米管的诸多缺点不能使其成为最佳添加物。目前，还没有一种方法能让碳纳米管与聚合物无缝的结合。近年来，碳纳米管和石墨烯表现出的许多优良的物理特性激起研究人员对碳材料作为聚合物填料的研究兴趣。Debelak 和 Lafdi^[7]利用扫描电镜和原子力显微镜对三组由剥落石墨填充的聚合物进行了表征。

四 分子动力学模拟

分子动力模拟 (Molecular Dynamics Simulation，简称MD)，是目前被广泛采用计算庞大复杂系统的方法^[8]。自 20 世纪 70 年代，由于分子动力学的迅速发展，有系统的建立了许多适用于生化分子体系，聚合物，金属与非金属材料的力场，使得计算复杂体系的结构与一些热力学与光谱性质的能力及精确性大为提高。分子动力模拟是应用这些力场及根据牛顿运动力学原理所发展的计算方法，优点在于系统中粒子的运动有正确的物理依据，精确度高，可获得系统的动态与热力学统计信息，并可广泛地适用于各种系统及各类特性的研究。