第38卷第3期非金属矿Vol.38 No.3 2015年5月?Non-Metallic Mines May, 2015
近年来，聚合物/蒙脱石纳米复合材料因具有优于聚合物基体的力学性能、热性能和气体阻隔性能逐渐成为新材料领域的研究热点[1-2]。当蒙脱石纳米片层均匀地以纳米尺度分散在聚合物基体中形成纳米复合材料时，无机组分对聚合物基体起着显著增强作用，但当蒙脱石填充量超过临界值时，因无机纳米片层间强烈地团聚倾向，蒙脱石在聚合物基体中形成较大尺度的相分离，导致复合材料宏观性能显著下降[3]。蒙脱石片层纳米尺度可控分散技术是制备高性能聚合物/蒙脱石纳米复合材料的关键[4]。
由于对聚合物与蒙脱石纳米片层之间的相互作用缺乏深入理解，目前难以准确调控蒙脱石片层在聚合物基体中的纳米尺度分散形态，对纳米复合材料微观结构与宏观性能之间的关系也缺乏深入理解[4]。多尺度材料模拟方法从微观到介观水平上对纳米复合材料进行研究，获得许多难以通过实验手段得到的材料微观结构、界面性质和自组装结构等相关数据，建立材料纳米结构与性能之间的关系，为调控纳米复合材料的构效关系奠定理论基础。分子动力学（MD）能为纳米复合材料的界面结构与界面性质方面提供信息[5]，但由于计算资源的限制，一般MD只能完成纳秒级模拟时间的平衡过程，研究体系也局限在含十万到百万原子的规模。耗散粒子动力学（DPD）模拟属于介观尺度范围，模拟体系的空间与时间尺度均比MD模拟大几个数量级，能为纳米复合材料的自组装过程提供动态信息，近年来在新材料领域受到广泛应用[6-7]。将MD和DPD结合用于多组分复杂体系纳米复合材料的应用研究较少[8]。
课题组前期制备了聚乳酸、聚琥珀酸丁二酯、聚乙烯醇（PV A)等多种聚合物的蒙脱石纳米复合材料[9-11]，积累了有关MD分子模拟和巨正则系综蒙特卡洛（GCMC）模拟的丰富经验[12]。本研究采用MD 模拟计算PV A/NaMMT纳米复合材料界面结合能，通过一定规则将界面结合能映射到DPD模拟中，获得DPD珠子间的相互排斥参数[8]。并将DPD模拟得到不同分子量PV A/NaMMT纳米复合材料的介观结构与MD模拟获得的平衡构象进行分析、比较，初步建立了PV A/NaMMT纳米复合材料中相分离的基本规律，为进一步探讨其构效关系奠定了理论基础。
1?多尺度模拟方法与细节
1.1 分子力场与分子动力学模拟
1.1.1 分子力场：蒙脱石一般采用CLAYFF [13]和
聚乙烯醇/蒙脱石纳米复合材料的多尺度模拟
王?睿?阳红军?吴选军*?蔡卫权
（武汉理工大学化学化工与生命科学学院，湖北武汉430070）
摘?要?采用分子动力学（MD）和耗散粒子动力学（DPD）方法对聚乙烯醇（PV A）/蒙脱石（MMT）纳米复合材料进行多尺度模拟，通过一定的映射规则由MD模拟所得含不同聚合度（DP）的PV A复杂体系界面结合能数据计算DPD模拟所需相互排斥作用参数。并对相同组成下的水溶剂化PV A/MMT纳米复合材料分别进行NPT系综MD模拟和介观DPD模拟，发现不同尺度模拟方法所得最终平衡构象分布规律一致。
关键词?聚乙烯醇；蒙脱石；纳米复合材料；分子动力学；耗散粒子动力学
中图分类号：TB332;TD985文献标识码：A文章编号：1000-8098(2015)03-0030-04
Multi-scale Simulation of Polyvinylalcohol/Montmorillonite Nanocomposites
Wang Rui Yang Hongjun Wu Xuanjun*Cai Weiquan
(School of Chemistry, Chemical Engineering and Life Sciences, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430070) Abstract Multi-scale simulations of polyvinyl alcohol (PVA)/montmorillonite (MMT) nanocomposites were performed using the methods of molecular dynamics (MD) and dissipative particle dynamics (DPD). First, the interfacial binding energies of PVA/MMT nanocomposites were calculated with MD using the force field of mPCFF. The bead-bead interaction parameters of the complex systems, which consist of PV A for various degrees of polymerization (DP), were rescaled from MD simulation by a mapping rule. At the same time, MD simulation with NPT ensemble and mesoscopic DPD simulation for the same composition of water-solvated PVA/MMT nanocomposites were performed. It is found that the final distributions of equilibrium conformations from one simulation method are agreement with those from the other one simulation method.
Key words polyvinylalcohol; montmorillonite; nanocomposite; molecular dynamics; dissipative particle dynamics
收稿日期：2015-03-12
基金项目：国家自然科学基金(51272201)；湖北省自然科学基金
(2013CFB344)；中央高校基本科研业务费专项资金(201410497039)。
*通讯作者，E-mail：wuxuanjun@https://www.doczj.com/doc/bc2282764.html,。
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