شبیه سازی پدیده خود ترمیمی در نانوکامپوزیت های پلیمری توسط دینامیک مولکولی

توسعه مواد خود ترمیم به عنوان نسل جدیدی از مواد هوشمند مستلزم کسب دانش و درک کافی در مورد ساختار این مواد و ارتباط بین ساختار و خواص آن ها در مقیاس های طولی و زمانی مختلف می باشد. در راستای پاسخگویی به این نیاز، پژوهش حاضر به مدل سازی و شبیه سازی نانوکامپوزیت های پلیمری خود ترمیم در مقیاس اتمی پرداخته است. این پژوهش در دو بخش اصلی صورت گرفته است؛ مدل سازی نانوکامپوزیت های خود ترمیم و شبیه سازی پدیده خود ترمیمی در آن ها. برای مدل سازی نانوکامپوزیت های خود ترمیم، از پلیمر اپوکسی به دلیل بهره مندی از خواص مکانیکی مطلوب به عنوان زمینه نانوکامپوزیت و از پلیمر فرمالدهید اوره به دلیل پایداری بالا در شرایط محیطی مختلف به عنوان پوسته نانوکپسول های حاوی عامل ترمیم استفاده شد. پایداری پلیمر فرمالدهید اوره برای جلوگیری از واکنش عامل ترمیم با ماده زمینه قبل از فرآیندهای آسیب و ترمیم بسیار حائز اهمیت است. از آنجایی که پلیمرهای اپوکسی و فرمالدهید اوره جزء خانواده پلیمرهای دو جزئی و گرماسخت محسوب می شوند، روش دینامیک مولکولی برای شبیه سازی فرآیند پلیمریزاسیون این دسته از پلیمرها بکار گرفته شد. برای این منظور، یک ساز و کار چهار مرحله ای برای ایجاد اتصالات عرضی بین زنجیره های پلیمری و دستیابی به درجات پلیمریزاسیون مختلف ارائه شد. قبل از بکارگیری پلیمرهای شبیه سازی شده در مدل سازی نانوکامپوزیت های خود ترمیم، دقت و صحت ساز و کار پلیمریزاسیون مورد ارزیابی قرار گرفت. برای این منظور، ساختار و خواص فیزیکی (دانسیته و توزیع اتصالات عرضی)، مکانیکی (ضرایب الاستیک) و حرارتی (دمای تبدیل شیشه ای) به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفته و با نتایج تجربی مقایسه شد. خواص مکانیک به روش کرنش-ثابت (استاتیکی) و دمای تبدیل شیشه ای از طریق بررسی روند تغییرات میانگین مربعات جابجایی، دانسیته ماده و مولفه های انرژی بر حسب دما محاسبه شدند. همچنین، توابع توزیع شعاعی برای مطالعه ساختار داخلی پلیمرهای اپوکسی و فرمالدهید اوره و بررسی اثر دما و درجه پلیمریزاسیون بر روی رفتار این دسته از پلیمرها بکار گرفته شدند. پس از اطمینان از صحت و دقت مدل های ارائه شده، نانوکپسول های فرمالدهید اوره با قطرهای 5 تا 20 نانومتر و ضخامت پوسته های 5/0 تا 2 نانومتر مدل سازی شده و برای تکمیل فرآیند مدل سازی نانوکامپوزیت های خود ترمیم، در زمینه اپوکسی تعبیه شدند. برای مطالعه رفتار مکانیکی نانوکامپوزیت های خود ترمیم، زمینه اپوکسی خالص و نانوکامپوزیت های خود ترمیم تحت بارگذاری تک محوره با نرخ کرنش ثابت قرار گرفتند. پس از محاسبه تنش داخلی، نمودارهای تنش-کرنش این مواد ترسیم و با هم مقایسه شدند. رفتار مکانیکی نانوکامپوزیت های خود ترمیم نشان داد که کپسول های نانومتری خواص مکانیکی ماده را بهبود می بخشند. در مرحله بعد برای شبیه سازی پدیده خود ترمیمی، با ایجاد آسیب اولیه در نانوکامپوزیت ها و اعمال کرنش، شرایط برای گسترش آسیب و باز شدن پوسته نانوکپسول ها فراهم شد. با رها سازی عامل ترمیم در محل آسیب، فرآیند ترمیم و پلیمریزاسیون مجدد زمینه با موفقیت شبیه سازی شد. نتایج بدست آمده از این شبیه سازی ها نشان دادند که استفاده از کپسول های نانومتری در طراحی و ساخت مواد خود ترمیم امکانپذیر بوده و نتایج مطلوبی را در پی خواهد داشت.