Molecular dynamics simulations of the structural, mechanical and visco-elastic properties of polymer nanocomposites filled with grafted nanoparticles

文献情報

出版日 2015-02-10
DOI 10.1039/C4CP05520A
インパクトファクター 3.676
著者

Jun Liu, Haidong Li, Yangyang Gao, Xiaolin Li, Youping Wu


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要旨

Through coarse-grained molecular dynamics simulations, we have studied the effects of grafting density (Σ) and grafted chain length (Lg) on the structural, mechanical and visco-elastic properties of end-grafted nanoparticles (NPs) filled polymer nanocomposites (PNCs). It is found that increasing the grafting density and grafted chain length both enhance the brush/matrix interface thickness and improve the dispersion of NPs, but there seems to exist an optimum grafting density, above which the end-grafted NPs tend to aggregate. The uniaxial stress–strain behavior of PNCs is also examined, showing that the tensile stress is more enhanced by increasing Lg compared to increasing Σ. The tensile modulus as a function of the strain is fitted following our previous work (Soft Matter, 2014, 10, 5099), exhibiting a gradually reduced non-linearity with the increase of Σ and Lg. Meanwhile, by imposing a sinusoidal external shear strain, for the first time we probe the effects of Σ and Lg on the visco-elastic properties such as the storage modulus G′, loss modulus G′′ and loss factor tan δ of end-grafted NPs filled PNCs. It is shown that the non-linear relation of G′ and G′′ as a function of shear strain amplitude decreases with the increase of Σ and Lg, which is consistent with experimental observations. We infer that the increased mechanical and reduced non-linear visco-elastic properties are correlated with the enhanced brush/matrix interface and therefore better dispersion of NPs and stronger physical cross-linking. This work may provide some rational means to tune the mechanical and visco-elastic properties of end-grafted NPs filled polymer nanocomposites.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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