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预测复合材料的性质

发布时间:2019-06-05 14:16:11 来源:

阿里·古尼(Ali Gooneie)在他的计算机上模拟了什么将世界紧紧联系在一起的核心:原子,分子,分子链和束 - 然后是它们出现的块状物和纤维。通过他的计算,Empa研究人员还可以用我们的指尖解释我们可以感受到的特性:光滑和粗糙的表面,柔性和刚性材料,导热物质和绝缘体。

许多这些属性都源于材料的深处。金属或木材,塑料或陶瓷,石材或凝胶 - 所有这些都已经过多次检查。然而,复合材料呢?这些材料的特性是如何产生的,它们如何以理想的方式改变?在当今快节奏的研究中,实验室中繁琐的反复试验方法已不再适用; 如今,您需要计算机辅助预测才能快速决定您将采取哪种实验路径。

Gooneie是许多在Empa的各种研究实验室工作的计算机模拟专家之一。他曾在德黑兰的Amirkabir科技大学学习聚合物技术,并在奥地利莱奥本大学获得博士学位。“虽然在我的工程学位之后,我更深入地沉浸在物理公式的世界中,但我从未与现实世界失去联系,”他说。“对我来说,模拟本身并不是目的。我用它们来解释我们在材料中观察到的效果。”

头发有什么感觉?最重要的是:为什么?

为了理解Gooneie究竟在计算什么,值得考虑一种我们都非常清楚的生物聚合物复合纤维材料:头发。刚洗过,感觉柔软有弹性。当它干燥时,它像电一样发出噼啪声; 潮湿的时候,它会像橡胶一样发出吱吱声。我们可以切割,拉出,烧焦,烫发,漂白和吹干。但是所有这些属性都来自哪里?

头发由单个氨基酸组成,它们结合形成称为角蛋白的长链蛋白质。这些长角蛋白分子结合形成线和纤维束。由细胞膜制成的复合物将这些纤维束粘合在一起。这些纤维束被几层死角鳞片包裹着,它们像松果的鳞片一样交错排列。因此,如果只考虑基本的化学结构单元 - 氨基酸,那么头发的性质将是无法解释的。理解总体结构至关重要。

因此,在我们的脑海中,让我们缩小化学结构,将分子视为小球,它们像珍珠项链一样连接起来。现在,图片不再是由化学决定的,而是由这些珍珠链的碰撞和摩擦效应决定的。专家们使用粗略的数学模型进行计算。

最终,我们到达了一个我们可以看到和感受到的维度:毫米范围,头发被认为是一种均质材料 - 精细结构不再重要??梢允褂?ldquo;有限元法”描述和预测材料的宏观特性。

详细了解纤维

直到几年前,聚合物复合材料领域还没有这种多维方法。通过他在莱奥本大学的研究,Ali Gooneie改进了这种方法,这使他非常适合Empa。模拟专家搬到圣加仑,目前正在Manfred Heuberger的Empa's Advance Fibers实验室进行研究。

Heuberger的研究目标之一是精炼合成纤维 - 这是一个经济上重要的话题:如今,全球使用的纤维中约有三分之二是合成生产的。合成纤维远远超过细塑料纤维。如果它们包含小晶体和对齐分子的分子结构适合于所需的性质 - 例如柔韧性或坚固性,它们只会变成“纤维”。只有当纤维结构从纳米到微米尺度已知时,才能在加工过程中专门设定产品的性能。

导电聚合物复合材料

Gooneie已经监督了几个项目。例如,一个旨在将碳纳米管(CNT)嵌入聚酰胺基质中。在合适的剂量下,CNT可以提供合成材料的导电性 - 例如,这使得该材料对于光伏行业而言是有趣的。但是,要混合的纳米管的数量是多少?管子的长度是否相同,或者长度的混合会提供更好的结果?

到目前为止,复合材料研究人员通过一系列实验来缩小和解决手头的问题是很常见的。然而,Ali Gooneie从理论角度解决了这个问题,并使用了他的多维模拟方法。他提出的解决方案:不同长度的CNT混合物产生最快的导电性。最终,他成功地预测了纳米管排列在聚合物中的方式 - 无论速度如何,加工都会发生。

在进行计算的同时,研究人员进行了他们的第一个实验:在245摄氏度的热挤压机中,他们将不同比例的纳米管混合到聚酰胺基质中。结果表明,0.15%(重量)的混合物在导电性方面产生了最好的结果。与实验室实验携手,应用数学为问题提供了优雅的解决方案。

温和的PET回收

模拟计算也可以在回收项目中实现很多。瑞士在2018年收集了近48,000吨PET瓶。从此,工业获得了35,000吨再生PET。合成材料备受追捧,因为它具有机械弹性,空气和气密性,并且可以承受高温。但是,PET不能无限次地回收。如果材料经常重熔,则在材料内发生化学反应:分子氧化,交联并形成团块,材料变得粘稠和半透明。

一种名为DOPO-PEPA的添加剂可以改变这一切。事实上,这种材料是由Empa研究员Sabyasachi Gaan开发的阻燃剂,也是在Advance Fibers实验室中开发的。现在研究人员想要探索它是否也可以作为PET回收的润滑剂和防腐剂。Gooneie首先评估DOPO-PEPA是否可以在预期温度下混入PET中。然后他计算了PET分子的珍珠项链如何在熔体中移动,DOPO-PEPA分子如何在它们之间挤压,以及何时在混合物中出现平衡。

结果:几百分之一的DOPO-PEPA混合物已经足以让回收的PET流动良好。由于Empa的数学成绩较高,回收将很快顺利进行。

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