Προσομοίωση Monte Carlo Πολυαιθυλενίου γραφίτη

Abstract

Τα τελευταία χρόνια έχει παρουσιαστεί μια ραγδαία αύξηση ερευνητικού ενδιαφέροντος για τα νανοσύνθετα υλικά, λόγω των καινοτόμων ιδιοτήτων τους. Βασικός παράγοντας για τον έλεγχο των ιδιοτήτων αυτών είναι η κατανόηση των φαινομένων που πραγματοποιούνται στη διεπιφάνεια μεταξύ του πρόσθετου υλικού και της μήτρας του νανοσυνθέτου. Στην παρούσα εργασία προσομοιώθηκαν συστήματα νανοσυνθέτου πολυαιθυλενίου-γραφίτη, με σκοπό να μελετηθούν τα χαρακτηριστικά των διεπιφανειών του υλικού. Αρχικά το πολυμερές περιορίστηκε κατά τον άξονα z κάθετο προς τις επιφάνειες του γραφίτη, ώστε να μην παρουσιάζει μοριακή επικάλυψη με τις πλάκες του γραφίτη. Στη συνέχεια, ενσωματώθηκαν οι πλάκες γραφίτη, χρησιμοποιώντας ένα λεπτομερές δυναμικό αλληλεπίδρασης με το πολυμερές και πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις Monte Carlo μεταβλητής συνδετικότητας για να επιτευχθεί εξισορρόπηση των διεπιφανειακών συστημάτων. Εν τέλει, όταν τα συστήματα εξισορρόπησαν, υπολογίστηκαν τα δομικά και μορφολογικά χαρακτηριστικά του πολυμερούς, όπως η πυκνότητα του πολυμερούς κατά τον άξονα z και εξήχθησαν σημαντικά αποτελέσματα για τη δομή του νανοσύνθετου υλικού.

Interfaces are very important in composite and nanocomposite material science and engineering, because interfacial phenomena play a key role for the aggregation or dispersion of the reinforcing materials in the matrix and dictate the mechanical, rheological, electrical, permeability, and other properties of the resulting composite or nanocomposite system. Therefore, if one can explain and control these interfacial phenomena, one can tailor the properties of the composite/ nanocomposite. In this thesis detailed molecular simulations are undertaken in order to study the interface between a polymer melt (polyethylene) and graphite plates. The simulations have been conducted using a Monte Carlo algorithm. Initially, the polymer melt was confined in the z-direction of the simulation box, normal to the graphite surfaces, so that it would not overlap with the plates. Then explicit graphite plates were placed at the lower and upper boundaries of the polymeric system, using a detailed force field to represent graphite – polymer interactions. After extensive equilibration of the model system via efficient connectivity-altering Monte Carlo moves, the structural properties of the graphite-confined polymer were studied and conclusions about the structure of the polymer - graphite nanocomposites were extracted. The molecular configurations obtained from the work reported in this thesis can serve as a starting point for conducting molecular dynamics simulations, in order to calculate the