Квантовая механика

Применение квантовой механики необходимо для анализа невалентных взаимодействий между частицами наполнителя и макромолекулами каучуковой матрицы. На атомном уровне методами квантовой химии определяются потенциалы взаимодействия макромолекул каучуков с поверхностью АН. В качестве исходных данных предполагается использовать параметры химического строения конкретных макромолекул каучука и атомную структуру АН. Потенциалы рассчитываются до расстояний, где влияние поверхности наполнителя уже не проявляется. Данные потенциалы отражают как химические, так и физические связи между АН и макромолекулами каучука. Поверхность АН может влиять и на низкомолекулярные ингредиенты, например серу, от распределения которой по объему резины существенно зависит структура вулканизационной сетки, поэтому необходимо оценивать взаимодействия АН со всеми ингредиентами.

Компьютерное моделирование методами молекулярной динамики

Компьютерное моделирование механических свойств эластомера, представляющего собой вулканизованный (сшитый) композит каучука и активного наполнителя наиболее рационально проводить для специальной модели, представляющей собой элементарную ячейку наполненной резины.

Моделируемая система описывается плотно упакованными макромолекулами, расположенными между активными поверхностями частиц наполнителя, находящихся в узлах регулярной решетки. Потенциалы взаимодействия, рассчитанные квантово-механическими методами, моделируют физические и химические силы взаимодействия между частицами наполнителя и макромолекулами каучуковой матрицы. В результате численного эксперимента (далее ЧЭ) рассчитывается зависимость следующих величин от расстояния до активной поверхности: (1) конформационной подвижности макромолекул; (2) плотности каучуковой матрицы; (3) степени упорядоченности расположения сегментов макромолекул.

Анализ конформационной подвижности даст ответ на вопрос о наличии вблизи поверхности АН слоя каучуковой матрицы в псевдостеклообразном состоянии. Существование указанного слоя достаточно убедительно обосновано экспериментальными исследованиями, однако зависимость его параметров от строения АН и макромолекул каучука исследована недостаточно. Плотность упаковки макромолекул в зависимости от расстояния до активной поверхности наполнителя также может служить характеристикой ее состояния – псевдостеклообразного или высокоэластического. Этот показатель может быть сопоставлен с результатами дилатометрических измерений эластомеров при разных температурах. Информация о степени упорядоченности сегментов макромолекул будет использована при построении теоретических моделей методами статистической физики. Будут подтверждены или опровергнуты распространенные среди химиков-технологов представления о наличии многообразных упорядоченных образований в некристаллизующихся эластомерах.

В процессе ЧЭ вначале решается задача достижения равновесного состояния системы макромолекул и низкомолекулярных веществ с реальной плотностью без учета потенциала взаимодействия с АН. Затем вводится указанный потенциал и повторно осуществляется ЧЭ до достижения равновесия в новых условиях. Далее учитывается сшивка макромолекул в сетку в соответствии с реальным распределением сшивающего агента по объему матрицы и конкретизацией типа химических реакций (кинетически или диффузионно контролируемые). Определяется функция распределения цепей по длинам и по натяжениям. Определяется количество гель- и золь-фракций. И наконец, с учетом сформировавшейся вулканизационной структуры, вычисляется средняя сила как функция расстояния между поверхностями (т.е. при растяжении). После этого моделируется процесс сокращения и измеряются те же величины.

При проведении данного ЧЭ могут быть реализованы разные варианты деформирования. Например, моделирование циклического деформирования до достижения установившегося режима или растяжение до разрушения (в последнем случае необходимо вводить критерий разрушения). Результаты ЧЭ – ключевой момент для понимания явления усиления.