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【MS应用实例】重庆交通大学曹雪娟教授团队成果:以聚氨酯为粘结剂的超薄耐磨层性能及纳米粘接行为研究
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【MS应用实例】重庆交通大学曹雪娟教授团队成果:以聚氨酯为粘结剂的超薄耐磨层性能及纳米粘接行为研究

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高分子材料
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摘要:

增加超薄耐磨损层是延长路面使用寿命的一种很有前途的养护方法。本研究以聚氨酯(PU)为粘结剂,研制了一种具有高防滑和耐磨的超薄耐磨层(简称PUTWC)。结合实验和分子动力学(MD)模拟方法研究了PUTWC的性能和纳米粘附行为。采用关联方法进一步分析了界面机械性能与PUTWC抗滑性能之间的关系。结果表明,采用粒径为2-3 mm的金刚砂作为混凝料的PUTWC具有较好的耐磨性和抗滑性,结构稳定性也较高。采用MD模拟方法,通过对比PU界面相互作用能、自由体积分数和相对浓度分布,研究了PU与聚合体之间的粘接性能。结果表明,与陶瓷颗粒相比,PU与金刚砂的附着力更强,与性能测试结果一致。扫描电子显微镜(SEM)和正电子湮灭寿命谱(PALS)的测试结果证实了MD模拟的结论。

引言:

随着经济的繁荣和城市化的发展,巨大的交通负担给沥青路面带来了巨大的压力和影响。目前主要的预防性维护技术有微堆焊、芯片密封、薄覆盖和增加超薄磨损层。其中,超薄磨损层(UTWC)是一种常用的处理方法,已被证明是延长路面使用寿命的有效策略。然而,在使用沥青或沥青混合料制备UTWC时,由于沥青粘度低、强度低、集料包裹在沥青粘结剂中,所以逐渐表现出较差的抗滑性。这促使研究人员从可再生资源中发现新的粘合剂。反之,聚氨酯(PU)粘结剂是不含任何溶剂的多组份体系,各组份按一定的比例和顺序均匀混合而成的均质半流体砂浆。为了获得良好的材料性能并指导实验研究,需要将实验与理论相结合,了解一些关键的过程和现象。随着高性能计算技术的进步,分子动力学模拟已经成为从分子运动过程分析材料物理化学性质的有力工具或实验研究的替代品。因此,重庆交通大学曹雪娟教授团队结合MD模拟、扫描电子显微镜(SEM)和正电子湮没寿命谱(PALS)来解释PUTWC与聚合体之间的相互作用,并进一步探讨纳米相互作用与宏观抗滑或耐磨性的关系。采用关联分析方法研究了机械力学性能对抗滑性能的影响。

 

结果与讨论:

1揭示了聚氨酯超薄耐磨层的制备方法。

图2所示,利用自行研制的小型加速扩音器对PUTWC的耐磨性进行了评估。

计算细节:

聚氨酯单体的化学结构和分子模型如图3 (a)(b)所示。

重庆交通大学曹雪娟教授团队的这项研究中,二氧化硅(SiO2)和碳化硅(SiC)分别用来代表团聚体(陶瓷颗粒和金刚砂)。研究表明,团聚体平面的类型对界面黏附性能几乎没有影响,因此,选择平面(100)来建立接口模型。混凝料的本体晶体首(100)方向切开,其厚度设为15 Å。同时,建立了真空层,将二维周期性转化为三维周期性。底部原子固定、顶部原子松弛的条件下,对模型进行几何优化。图4显示了用于模拟的混凝料表面模型的更多细节。

MD模拟中,选择COMPASS力场,截断距离设置为12.5 Å。初始化、几何优化和MD仿真的模型如图5 (a)(b)所示。

本研究的流程图如图6所示。

UTWC的耐磨性是一个重要特性。重庆交通大学曹雪娟教授团队研究了1-2 mm、2-3 mm和1-3 mm三种粒径的混凝料(以陶瓷颗粒为例)对PUTWC耐磨性能的影响,如图7 (a)(b)(c)所示。

图8 (a)(b)(c)所示,研究了混凝料类型(陶瓷颗粒和金刚砂)对PUTWC耐磨性能的影响。

图9 (a)(b)显示了IFI的变化规律。添加两种团聚体(金刚砂和陶瓷颗粒)的UTWC的抗滑性能也出现了类似的下降,如图9 (b)所示。

为了进一步评价耐磨性的衰减规律,拟合粒径为2-3mm的金刚砂和陶瓷颗粒磨损过程中F60和SP的衰减曲线,如图10 (a)(b)所示。

两种系统模型的初始、几何优化和MD仿真结构如图11 (a)(b)所示。

图12展示了MD模拟前后PU-SiO2和PU-SiC体系的Vfree分布(蓝色)。从图中可以看出,两种系统进行MD仿真后的Vfree均小于进行MD仿真前的Vfree

研究了PU组分(软段和硬段)在X、Y、Z三个方向上的相对浓度分布,揭示了PU与混凝料之间的相互作用,如图13图14所示。

通过SEM得到的PU、PU- SiO2和PU- SiC复合材料的表面形貌如图15 (a)(b)(c)所示。

结果与讨论:

通过室内试验研究了聚氨酯超薄耐磨层的耐磨性和防滑性。此外,结合MD模拟方法、SEM和PALS表征,从微观角度进一步探讨了PU与混凝料之间的界面相互作用。根据本研究的结果和讨论,可以得出以下结论:

 

1.MTD、BPN、IFI和拟合IFI结果表明,与陶瓷颗粒相比,使用粒径为2-3mm的金刚砂混凝料的PUTWC具有更好的耐磨性、良好的抗滑性能和更高的结构稳定性。关联分析表明,冲击值和抛光值对PUTWC的耐磨性影响更为显著。这是因为与陶瓷颗粒相比,金刚砂具有棱角化、表面粗糙、近立方的团聚体特征。

 

2.MD模拟结果表明,PU与金刚砂骨料之间存在较强的粘接强度,这与实验结果一致。另一方面,PALS对MD模拟结果的验证表明,与PU- SiO2和PU基体相比,PU-SiC体系的邻位ps、寿命(s3)、强化强度(I3)和自由体积分数(FFV)最小。这是由于PU-SiC之间较强的界面相互作用有效地限制了链运动。SEM测试表明,SiC在PU中的分散具有较小的不均一性。这些结论定量地证实了MD模拟的结果。

 

文章详情:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122349

本文根据Materials Studio的嵌段共聚物建模模块,生成了12个PPG、3个4,4’- MDI和1个1,4- BDO重复单元的PU链。北京泰科博思科技有限公司是Materials Studio官方指定代理商,有关软件详情或者技术支持请咨询北京泰科博思科技有限公司。

 

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作者简介:

曹雪娟  重庆交通大学材料科学与工程学院


四川邻水人,教授,博士生导师,主要从事路面新材料方面的研究,包括新型功能性路面材料(热反射降温路面材料、光催化降解汽车尾气材料、新型长余辉发光材料)、沥青及沥青改性技术、城市固废综合处置及资源化利用技术等。

 

公司简介

北京泰科博思科技有限公司(Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.)成立于2007年,是国内领先的分子模拟及虚拟仿真综合解决方案提供商。

 

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