1、不同温度下纤维素/水化硅酸钙界面相互作用的分子动力学模拟研究孔慧君,李沉思,刘潇(河南工学院 理学部,河南 新乡 )摘要:利用分子动力学方法系统地研究了温度对纤维素/水化硅酸钙界面的相互作用.通过S MD计算了三种温度下纤维素与水化硅酸钙基体分离的张力,并通过B e l l模型计算了纤维素和水化硅酸钙之间的粘附能.结果表明,随着温度的升高,界面粘附能增强.关键词:纤维素/水化硅酸钙;界面;分子动力学模拟中图分类号:O 文献标识码:A文章编号:()引言波特兰水泥是混凝土重要的粘接材料,在当今土木工程中被广泛应用.为了克服其低延性的弱点,常在水泥基材料中掺杂聚合物,以阻止裂缝的产生和生长,提高混凝
2、土的塑性.前人研究了聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维和聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维等聚合物纤维作为重要掺杂材料对水泥基材料力学性能的影响.研究表明,加入聚合物可以提高混凝土的抗压强度、弯曲强度以及延性.同时,纤维素纤维作为重要的绿色材料,也常被加入混凝土中以提高其性能.高温下的纤维素混凝土可以通过在基质中形成一系列通道,促进其内部蒸汽压力的释放,从而缓减内部应力造成的损伤,提高混凝土的抗剥落性,并且还可以通过减小混凝土的密度,增加其弯曲强度、抗冲击性能等.目前,分子动力学模拟已被广泛应用于无机和有机复合材料 领域.通过分子动力学模拟可以研究聚合物的水解反应,以及水泥/聚合物复合材料的界面键合作用等,从而从
3、微观角度了解纤维和水泥基体之间的粘接作用机理.本文利用受控分子动力学(S t e e r e dM o l e c u l a rD y n a m i c s,S MD)模拟的方法,观察不同温度下,在恒速模式拉伸过程中纤维素纤维的运动轨迹,结合拉伸力/距离曲线的对比,以揭示温度对纤维素/水化硅酸钙复合材料界面的影响.模拟方法 模型建立水化硅酸钙凝胶是水泥的主要水化产物,其与聚合物之间的相互作用决定了水泥材料的力学性能.水化硅酸钙具有和天然托贝莫来石(t o b e r m o r i t e)相似的层状结构,目前普遍在托贝莫来石晶体结构的基础上构建水化硅酸钙模型 .本文的水化硅酸钙模型也是在
4、此基础上建立的.第一步,建立一个 的t o b e r m o r i t e晶体,其在x、y、z方 向 上 的 长 度 分 别 为 、,三个面之间的夹角均为 .为了方便模拟,在x和y方向上分别扩展倍和倍,此时模型大小为 .第二步,在z方向上切出一个平面.第三步,用巨正则蒙特卡罗的方法在 K温度下将 个水分子吸入模型中,最后得到的分子式为(C a O)(S i O)HO,接近实验测量结果(C a O)(S i O)HO.第四步,在z方向添加厚度为 的真空层.第五步,建立纤维素结构.纤维素的模型基于文献第 卷第期 年月河南工学院学报J o u r n a l o fH e n a nI n s
5、t i t u t eo fT e c h n o l o g yV o l N o M a y 收稿日期:作者简介:孔慧君(),女,河南新乡人,讲师,硕士,主要从事材料物理研究.中的无定形纤维素结构,本文中的纤维素结构具有个重复单元.第六步,也是最后一步,将纤维素放在水化硅酸钙模型上,最终的模型如图所示.图纤维素/水化硅酸钙模型 力场和模拟细节研究表明C l a y F F力场可以有效地模拟水化硅酸钙原子之间的相互作用,而C V F F力场则被广泛用于有机分子的模拟中.所以对水化硅酸钙采用C l a y F F力场 进行模拟,对纤维素采用C V F F力场进行模拟.水化硅酸钙和纤维素之间的相
6、互作用采用L o r e n t z B e r t h e l o t混合法则.所有模拟均用L AMMP S进行.在三种不同温度下对同一模型进行了模拟.第一组模拟在 K温度下弛豫n s.第二组模拟先在 K温度下弛豫n s,然后在 p s内将温度升到 K,最后在 K温度下弛豫n s.第三组模拟首先将模型在 K温度下弛豫n s,然后在 p s内将温度升到 K,最后在 K温度下弛豫n s.所有的模拟均在NVT系综下运行.采用上拉模拟的方法研究了纤维素/水化硅酸钙界面的粘附力.在NVT系综下使用S MD进行模拟.将水化硅酸钙基底原子固定,对纤维素中间的碳原子施加外力,如图所示.外力计算如式()所示:
7、FK(zv t)zc o m()式中,F表示模拟时施加的弹簧力,K表示弹性常数,z表示被拴碳原子在z方向上的初始高度,v为拉力的速度,t为模拟时间,zc o m为所选碳原子质心沿z方向的动力学位置.结果分析和讨论图表示在温度 K不同拉伸速度下被拴原图计算纤维素/水化硅酸钙界面粘附力模型子的位移情况,其他温度的力位移曲线类似.栓系原子的平衡位置在 处,初始的拉力为零.从图可以看出,在整个拉伸的过程中有两个平台期.在第一个平台期,栓系原子运动了 ,但拉力并没有随着栓系原子距离的增加而增大,此时,栓系原子周围的纤维素被拉开,两边的纤维素仍然和水化硅酸钙紧紧吸附,如图所示.随后,随着拉力继续增大,直到
8、拉力超过界面结合力,纤维素与水化硅酸钙基体表面完全分离.图栓系原子的力位移曲线粘附能 根 据B e l l模 型 进 行 计 算,可 以 从S MD模拟中的最大拉伸力得到粘附能.B e l l模型计算方法见式()式().e x p(fxbkBT)()vxbe x p(Eb(kBT)()式中,表示拉动速度,f表示施加的外力,kB表示玻尔兹曼常数(J/K),T表示温度,表示自然断裂速度,s.河南工学院学报 年第期图第一个平台期对应分子状态图从式()和式()可以得出式():f(kBTxb)l nvkBTl nvxbAl nvB()式中,AkBTxb,BkBTl nvxb.式()表示在非平衡系统中,施
9、加的力与拉动速度成对数关系.在本研究中,将恒定速度下整个模拟过程中所记录的最大力作为B e l l模型中的f值.通过f与l n(v)的曲线斜率和与y轴的截距来量化该系统的Eb和xb.其中Eb的值表示原子尺度上纤维素和水化硅酸钙之间的粘附能.图表 示 温 度 在 K时 最 大 拉 力 与l n(v/v)的关系,计算关系为f l n(v/v),其中vm/s.最后可以得到温度在 K、K和 K时,粘附能分别为 k c a l/m o l、k c a l/m o l和 k c a l/m o l,这表明高温时界面粘附能增加.图最大拉力与拉动速度之间的关系结论本文采用受控分子动力学模拟的方法,研究了温度从
10、 K K纤维素纤维与水化硅酸钙之间的粘附能的变化情况.通过研究最大拉力与拉动速度之间的关系,利用B e l l模型得到了粘附能随温度变化的规律.研究表明,随着温度的增加,纤维素纤维与水化硅酸钙界面的接触变大,粘附能也随之增加,水泥的力学性能得到提高.(责任编辑王磊)参考文献:YANGZ,J I A L EH,X I AO Y,e ta l E n h a n c i n gt h eP VAf i b e r m a t r i x i n t e r f a c ep r o p e r t i e si nu l t r ah i g hp e r f o r m a n c ec o n
11、 c r e t e:A ne x p e r i m e n t a l a n dm o l e c u l a r d y n a m i c s s t u d yJ C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,:K EQY,J I AN GTY,J I ANGD,e t a l D e v e l o p m e n t o f u l t r a h i g hp e r f o r m a n c ee n g i n e e r e dc e m e n t i t i o u s c o m p o
12、 s i t e su s i n gp o l y e t h y l e n e(P E)f i b e r sJC o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n g M a t e r i a l s,:F R A T E R NA L IF,S P A D E AS,B e r a r d iV E f f e c t so f r e c y c l e dP E Tf i b r e so nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n ds e a w a t e r c u r i n go
13、fP o r t l a n dc e m e n t b a s e dc o n c r e t e sJ C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,():S E L L AM IA,ME R Z OUD M,AM Z I AN ES I m p r o v e m e n to fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg r e e nc o n c r e t eb yt r e a t m e n to ft h ev e g e t a l s f i b e
14、 r sJ C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,:R AMAK R I S HNAG,S UN D A R A R A J ANT I m p a c ts t r e n g t ho f af e wn a t u r a l f i b r er e i n f o r c e dc e m e n tm o r t a rs l a b s:ac o m p a r a t i v es t u d yJ C e m e n t&C o n c r e t eC o m p o s i t e s,(
15、):A S HR A FC,VA S H I S TH A,B AK I SC,e ta l R e a c t i v eM o l e c u l a rD y n a m i c sS i m u l a t i o n so fA t o m i cO x y g e nI m p a c to nE p o x i e sw i t hD i f f e r e n tC h e m i s t r i e sJT h eJ o u r n a lo fP h y s i c a lC h e m i s t r yC,:F AND,YANGS,a n dS AA F IMM o l
16、 e c u l a r d y n a m i c s s i m u l a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f i n t e r c a l a t e dG O/C S Hn a n o c o m p o s i t e sJC o m p u t a t i o n a lM a t e r i a l sS c i e n c e,:Z HOUY,HOUD,J I AN GJ,e t a l M o l e c u l a r d y n a m i c s s t u d yo fs o l v a t e da n i l i n ea n de t h y l e n eg l y c o lm o n o m e r sc o n f i n e di nc a l c i u ms i l i c a t en a n o c h a n n e l s:ac a s es t u d yo f t o b e r m o r i t eJP h y s i c a lC h e m i s