聚乳酸纳米复合材料和氮掺杂碳纳米管的相互作用研究

关键词：聚乳酸、碳纳米管、改性、分子动力学、LAMMPS、MedeA

1. 研究背景

碳纳米管是由碳原子组成的具有螺旋状结构的材料，因其优良的电学、热学和力学性能受到学者广泛关注。因此碳纳米管被用于改善聚合物性质，如聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氧乙烯共混物、聚丙烯和聚苯乙烯等等。这些应用中，碳纳米管的化学性质对复合材料性能中起着关键作用。本文作者结合分子动力学模拟和实验结果，解释了碳纳米管(CNTs)和氮掺杂碳纳米管(N-CNTs)在聚乳酸(PLA)纳米复合材料中的填充效应。

2. 建模与计算方法

作者分别采用MedeA中的Polymer Builder和Nanotube Builder模块分别创建了聚乳酸PLA的分子结构和碳纳米管结构，然后再创建相互作用模型。随后采用MedeA LAMMPS中做平衡模拟，并计算了PLA与碳纳米管的相互作用能以及径向分布函数。

图1 聚乳酸PLA与碳纳米管/N参杂碳纳米管的作用示意图

3. 结果与讨论

3.1 PLA与CNT的相互作用

结果表明N-CNT与PLA之间表现出更强的吸引作用，这对掺杂碳纳米管在聚合物基体中的分散有积极的影响，因为它们之间的低排斥行为，说明再N-CNT与PLA之间形成了氢键，这些氢键可以解释纳米复合材料在不同环境条件下的聚集行为。

图2 PLA与CNT/N-CNT之间的相互作用能

3.2 PLA的链结构

从径向分布函数看出，在- 73℃以下观察到PLA链的显著结构变化，观察到由于受到N-CNT上氮原子的影响，PLA的侧甲基倾向于接近主链上的碳原子。在更高的温度下，没有观察到PLA链的显著变化。表明纳米复合材料的结构变化不仅是由于温度对分子链构象的影响，含受到PLA与碳纳米管(主要是氮掺杂的碳纳米管)之间形成氢键的影响。

图3 PLA的侧甲基碳与主链碳之间的径向分布函数

4. 总结与展望

本文作者通过分子动力学模拟解释了碳纳米管(CNTs)和氮掺杂碳纳米管(N-CNTs)在聚乳酸(PLA)纳米复合材料中的填充效应。

参考文献：

https://doi.org/10.1007/s10853-019-04245-6

使用MedeA模块：

• MedeA Polymer Builder

• MedeA Nanotube Builer

• MedeA LAMMPS