Μοριακές προσομοιώσεις εποξειδικών ρητινών παρουσία νερού

Ζώη, Χριστίνα Αθανασία; Zoi, Christina Athanasia

dc.contributor.author	Ζώη, Χριστίνα Αθανασία
dc.contributor.author	Zoi, Christina Athanasia	en
dc.date.accessioned	2019-10-22T11:05:42Z
dc.date.available	2019-10-22T11:05:42Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49342
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17040
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Εποξειδικές ρητίνες	el
dc.subject	Γήρανση ρητινών	el
dc.subject	Μηχανικές ιδιότητες ρητινών	el
dc.subject	Υπολογιστική επιστήμη υλικών	el
dc.subject	Μοριακές προσομοιώσεις	el
dc.subject	Mechanical properties of resins	en
dc.subject	Epoxy aging	en
dc.subject	Computational materials science	en
dc.subject	Molecular Simulations	en
dc.subject	Epoxy resins	el
dc.title	Μοριακές προσομοιώσεις εποξειδικών ρητινών παρουσία νερού	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υλικά	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-10-01
heal.abstract	Στη παρούσα εργασία εξετάζεται η επίδραση της υγρασίας, σε σύστημα εποξειδικής ρητίνης, το οποίο αποτελείται από 64 μονομερή EPON-862 (diglycidyl ether of bisphenol F - DGEBF) και 32 μόρια σκληρυντή DETDA (Diethyltoluenediamine). Οι επιλεχθέντες βαθμοί σταυροδέσμευσης είναι 71% και 92%. Η μελέτη πραγματοποιείται υπολογιστικά, μέσω ατομικής προσομοίωσης. Όσο αφορά το θεωρητικό κομμάτι της εργασίας, αρχικά, αναλύεται εκτενώς η φύση και ο στόχος της μοριακής δυναμικής καθώς και τα πλεονεκτήματά της έναντι συμβατικών μεθόδων γενικότερα, αλλά και συγκεκριμένα για τη μελέτη των εποξειδικών ρητινών και των φαινομένων γήρανσης που παρουσιάζονται σε αυτές. Επίσης, παρουσιάζονται αναλυτικά προηγούμενες προσπάθειες μελέτης του φαινομένου. Εξηγείται η κατασκευή πλήρως ατομιστικών μοντέλων εποξειδικών ρητινών με χρήση μοριακής μηχανικής και δυναμικής και περιγράφονται διαδικασίες σταυροδέσμευσης, με υπολογιστικές μεθόδους. Στη συνέχεια, εξετάζεται η φύση του ίδιου του υλικού παρουσία νερού και αναλύεται το φαινόμενο της γήρανσης λόγω υγρασίας. Εκτενής αναφορά γίνεται και στον τρόπο συσσωμάτωσης του νερού στο εσωτερικό εποξειδικών συστημάτων. Σχετικά με το υπολογιστικό κομμάτι της εργασίας, ο κύριος σκοπός του, είναι η ποσοτικοποίηση της επίπτωσης της υγρασίας στις μηχανικές και δυναμικές ιδιότητες του υλικού. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η πιθανή μεταβολή στο μέτρο ελαστικότητας όγκου Β, στo μέτρο ελαστικότητας Young Ε, στο λόγο Poisson ν και στη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης Tg, λόγω παρουσίας ροφημένου νερού από φυσικές και μόνο διεργασίες, αγνοώντας, δηλαδή το ενδεχόμενο χημικής αντίδρασης του νερού με το πολυμερές. Για την πραγματοποίηση των υπολογισμών, σε ήδη υπάρχοντα μοντέλα εποξειδικών ρητινών, μεγέθους 3786 ατόμων και μήκους μοναδιαίου κελιού 35.04 Å, προστέθηκαν 14 μόρια νερού, που αντιστοιχούν στο 1% κατά βάρος του ξηρού συστήματος. Η επιλογή έγινε μετά από εκτενή μελέτη της βιβλιογραφίας, στην οποία φαίνεται οι συνήθεις τιμές απορρόφησης να κυμαίνονται από 1-3%. Η προσθήκη των μορίων νερού έγινε με χρήση της πλατφόρμας πολλαπλών κλιμάκων MAPS (Materials and Process Simulation), σχεδιασμένης από την εταιρεία Scienomics, ενώ η εξισορρόπηση των ενυδατωμένων συστημάτων πραγματοποιήθηκε με χρήση του λογισμικού πακέτου LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator). Για την πραγματοποίηση των προσομοιώσεων χρησιμοποιήθηκε το πεδίο δυνάμεων 7 Dreiding-X6. Για κάθε εξεταζόμενο βαθμό σταυροδέσμευσης κατασκευάστηκαν τρεις διαφορετικές απεικονίσεις, στις οποίες τοποθετήθηκαν τα μόρια του νερού, σε τυχαίες θέσεις. Ο υπολογισμός του μέτρου ελαστικότητας όγκου B πραγματοποιήθηκε μέσω της θεωρίας διακυμάνσεων όγκου. Το σημείο υαλώδους μετάπτωσης εκτιμήθηκε μέσω ογκομετρικής μεθόδου, για την οποία συντάχθηκε πρόγραμμα ψύξης στο LAMMPS και με βάση τα αποτελέσματα της προσομοίωσης σχεδιάστηκαν διαγράμματα πυκνότητας συναρτήσει της θερμοκρασίας, από την κλίση των οποίων έγινε η εκτίμηση. Για την παραπάνω διαδικασία συντάχθηκε κατάλληλος αλγόριθμος στο MatLab. Τέλος, για την εξαγωγή του μέτρου ελαστικότητας Young και του λόγου Poisson, πραγματοποιήθηκαν πειράματα τάσης - παραμόρφωσης στο LAMMPS. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το μέτρο ελαστικότητας όγκου έμεινε σταθερό και δεν επηρεάστηκε από την προσθήκη των 14 μορίων νερού, με τιμή Β = 4.18 ± 0.30 GPa, για βαθμό σταυροδεύσμευσης n = 71% και Β = 4.47 ± 0.01 GPa, για n = 92%. Όσο αφορά το σημείο υαλώδους μετάπτωσης παρατηρήθηκε σαφέστατη μείωσή του, σε σχέση με τα αντίστοιχα ξηρά συστήματα. Για τα ενυδατωμένα συστήματα, υπολογίστηκε το Tg = 343.3 ± 8.8 K για n = 71%, ενώ για το σύστημα με n = 92%, υπολογίστηκε Tg = 441.3 ± 33.2 K. Σχετικά με το μέτρο ελαστικότητας Young, για n = 71% υπολογίζεται 3.2 ± 0.5 GPa, ενώ για n = 92% υπολογίζεται 3.2 ± 0.3 GPa και ο λόγος Poisson ν = 0.41 ± 0.01 και ν = 0.37 ± 0.01, αντίστοιχα. Το μέτρο ελαστικότητας και ο λόγος Poisson, φαίνεται να μην διαταράσσονται, επίσης, και κυμαίνονται εντός στατιστικού σφάλματος, σε σχέση με τις αντίστοιχες τιμές για τις ξηρές ρητίνες. Για όλα τα αποτελέσματα υπάρχουν πειραματικά στοιχεία της βιβλιογραφίας που να στηρίζουν την εγκυρότητα των εξαγόμενων προβλέψεων.	el
heal.abstract	The present work examines the effect of moisture on an epoxy resin system consisting of 64 EPON-862 monomers (diglycidyl ether of bisphenol F - DGEBF) and 32 DETDA hardener molecules (Diethyltoluenediamine). The examined crosslinking degrees are 71% and 92%. All estimations are carried out by using computational methods and computer simulations. As far as the theoretical part of the work is concerned, firstly, extensive reference is made to the nature and purpose of molecular dynamics as well as its advantages over conventional methods in general, but also to the study of epoxy resins and the aging phenomena presented therein. Moreover, previous attempts to study the phenomenon are presented in detail. In addition, the methodology of creating fully atomistic models of epoxy resins and simulating crosslinking processes with molecular mechanics and molecular dynamics are described. What is more, the effect of aging due to moisture content in the resin is analyzed. An extensive description is also provided for how water is absorbed inside epoxy systems. The computational part of the work, which is its main purpose, is to quantify the impact of moisture on the mechanical and dynamical properties of the material. In particular, possible changes in the bulk modulus B, the Young modulus E, the Poisson v ratio and the glass transition temperature Tg are examined. Only physical processes involving the sorbed water were taken into account, i.e. possible chemical reactions of water with the polymer matrix were not considered. To carry out the calculations, 14 water molecules corresponding to 1% wt of the dry system were added to existing models of epoxy resins, with 3786 atoms and 35.04 Å unit cell length. The water content was chosen on the basis that the usual absorption values range from 1-3% for epoxy resins. Water molecules were added using the MAPS (Materials and Process Simulation) package designed by Scienomics, while the systems were equilibrated using LAMMPS (Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator). The Dreiding-X6 force field was used to perform the simulations. For each examined crosslinking degree, three different configurations were made, in which the water molecules were placed at random locations. The bulk modulus B was calculated using the volume fluctuation theory. The glass transition temperature was estimated via a volumetric method, which involves a cooling process in LAMMPS. Based on these simulations, the temperature dependence of the density on temperature was plotted and from the 9 break of the slope Tg was estimated. An appropriate algorithm was also developed in MatLab for the above procedure. Finally, for the extraction of Young's modulus and Poisson’s ratio, stress-strain experiments were performed using LAMMPS. The results showed that the bulk modulus remained stable and was not affected by the addition of the 14 water molecules, with B = 4.18 ± 0.30 GPa, for crosslinking degree n = 71% and B = 4.47 ± 0.01 GPa, for n = 92%. For the hydrated systems, Tg = 343.3 ± 8.8 K for n = 71%, while for n = 92%, Tg = 441.3 ± 33.2 Κ. Regarding the glass transition point, there was a noticeable decrease compared with the dry systems.With respect to Young's modulus, for n = 71% was estimated 3.2 ± 0.5 GPa, while for n = 92% it was estimated as 3.2 ± 0.3. The Poisson ratio, on the other hand, was n = 0.41 ± 0.01 and n = 0.37 ± 0.01, respectively at the two studied degrees of crosslinking. The Young’s modulus and Poisson's ratio also appear not to change with water content at the concentration studied, as their values are within statistical error of those of the dry resins. For all the results, one can find in the literature experimental data supporting the validity of the above predictions.	en
heal.advisorName	Θεοδώρου, Θεόδωρος
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα
heal.committeeMemberName	Θεοδώρου, Θεόδωρος
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ). Εργαστήριο Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	110 σ.
heal.fullTextAvailability	false