PVC作为五大通用树脂之一，因其性价比高、加工简单以及使用范围广而在国民经济建设中得到广泛的应用，但PVC树脂本身也存在熔体黏度大、流动性差、加工温度和分解温度太过接近等缺点，导致在挤出或者注塑过程中很容易分解、变色，从而限制了PVC材料的应用范围[1]。目前，在世界PVC制品市场中，硬质PVC制品的市场份额已超过60%，并且还在开发高强、高韧的新产品，逐步向工程塑料领域渗透。硬质PVC制品目前面临的主要技术难点是冲击性能、耐热变形性、热稳定性、加工流动性等性能需要改善。对PVC的增韧改性大致可分为化学改性和物理改性。化学改性主要是通过接枝或共聚等方法改变PVC的分子结构，在PVC分子中引入柔性链段，从而起到增韧改性的作用。但是由于技术、经济等因素的限制，目前对PVC的增韧改性具有实际意义的方法是物理共混改性[2]。现有的3大类PVC冲击改性剂为：氯化聚乙烯(CPE)、丙烯酸酯类(如ACR等)和苯乙烯-丁二烯-丙烯酸甲酯三元共聚物(MBS)。虽然冲击改性剂对改善PVC制品的低温冲击强度非常有效，但是它们各自的缺点也很突出[3]。由于PVC材料具有低温脆性，需要做大量的试验进行验证，试验成本也很高。

利用计算机模拟高分子材料并预测其各项性能是一种低成本、高效率的方法。笔者通过分子动力学方法模拟增韧剂TY1(丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯三元共聚物)在PVC材料中的分散情况，预测其力学性能，并通过力学性能测试对其进行验证。

1 建立模型

1.1 耗散粒子动力学

传统的计算机模拟方法集中在分子/原子尺度和宏观尺度。如果采用量子力学和分子动力学方法来研究，虽然其非常有效，可以精确地计算原子和分子之间的相互作用，但计算量非常大[4-5]。由 Hoogerbrugge 和 Koelman在 1992年首次提出的耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics，DPD)方法可以用来模拟复杂流体的动力学现象[6]，其基本思想是用一个“珠子”代替分子流体中的一团物质或者部分基团，珠子的运动速度、位置和轨迹符合牛顿运动方程。因此，该方法能够在更长的时间尺度和更大的空间尺度上对复杂体系进行模拟，同时在粗粒化过程中系统内在的性质没有改变[7]。

1995年，Espanol和 Warren 提出所有珠子同时受到守恒力、耗散力和随机力3种力的作用，其中守恒力描述了弹性球体间的排斥力，耗散力描述了运动珠子之间的黏滞阻力，随机力的引入是为了保持模拟体系温度的恒定。3种力的引入使 DPD 方法能够很好地在正则系综(NVT 恒定)中进行模拟计算[8-9]。

1.2 分子的粗粒化

在 DPD 方法中，首先要对体系的分子进行粗粒化，即将分子中的一部分基团或原子用一个珠子代替，尽可能用相对简单的结构代替原来的分子，但要保持分子的特征不改变。笔者对PVC材料中各分子的粗粒化过程如图 1 所示。a、b、c分别代表PVC、硬脂酸和有机锡稳定剂，d、e、f代表TY1分子中的丙烯酸甲酯、丁二烯、苯乙烯基团。

  

图1 PVC材料中各分子的粗粒化Fig.1 Coarse graining of molecules in PVC materials

[1] 窦林名,白金正,李许伟,等.基于动静载叠加原理的冲击矿压灾害防治技术研究[J].煤炭科学技术,2018,46(10):1-8.

由图3可知：当TY1用量为1～5份时，随着其用量的增加，PVC材料的拉伸强度逐渐提高；当TY1用量为5～7份时，PVC材料的拉伸强度基本不变；当TY1用量继续增加至8份时，拉伸强度反而大幅下降。PVC材料拉伸强度的变化规律与DPD计算结果完全吻合。

先采用双辊开炼机将物料塑化及分散，前后辊温度设定为180 ℃，辊速为40 r/min;再采用平板硫化机硫化制片，硫化温度设定为175 ℃，热压时间设定为5 min，冷压时间设定为2 min。样片通过专用制样工具裁制成测试样条，静置48 h后进行力学性能检测。

 

表1 不同珠子的Flory-Huggins参数

 

Table 1 Flory-Huggins parameters of different beads

  

aijabcdefa25.0b32.825.0c94.282.125.0d32.543.467.825.0e27.649.775.765.325.0f44.556.7102.546.825.825.0

1.3 模拟结果

根据上述参数，进行了不同TY1用量下对PVC材料的模拟计算，结果见图2；图2中左边的图片为整个PVC材料的组分分布，右边的图片为除PVC外其他组分的分布。

  

(a)1份

  

(b)2份

  

(c)3份

  

(d)5份

  

(e)7份

  

(f)8份图2 不同TY1用量下PVC材料的模拟计算结果Fig.2 Simulation results of PVC materials with different TY1 content

以锡盟为例，按《中国风能区划》，大部分地区属风资源丰富区，年平均有效风能密度大于200W/m2。风速3～20m/s的年累计吹刮小时超过5 000h，风速6～20m/s的年累计小时2 500h以上。以月平均风速介于2.5～20m/s,作为微、小型风力机的资源利用标准，锡盟地区风资源年保证率都在90%以上。根据2008年的抽样分析，锡盟年月降水量和月平均风速基本成负相关[2](如图1所示)。按年风速时空分布，降水量偏少的1-5月份为大风期，正值风速较高，利用风能提水正好可以弥合季节性缺水，有利于春季抗旱；6-8月份降水量逐渐增加时风速偏低，风能利用有所弱化，因此有良好的互补性。

2 验证试验

2.1 主要试验原料及配方

海洋公园作为一种建立在生态系统管理基础上的预防性海洋综合管理工具，其服务对象具有完整性，除生态系统完整性以外，海洋公园还需主要考虑海洋景观完整性。优美性是海洋公园美学价值的体现，一定程度上是海洋公园经济效益价值的体现。

2.2 试验仪器与设备

电子万能试验机，WDT-W-100KN，承德市精密试验机有限公司；冲击试验机，XJC-500，承德市精密试验机有限公司；哑铃型制样，XYZ-70，承德市金建检测仪器有限公司；缺口制样机，QKD-V，承德市精密试验机有限公司；开放式炼塑机，X(S)K，上海双翼橡塑机械有限公司；平板硫化机，XH-406B，锡华精密检测仪器有限公司。

试验原料及配方与模拟试验相同。

2.3 制样流程

采用 Materials Studio 软件的 DPD 模块进行模拟计算，每个计算都进行 20 000步，其步长为0.05 ns。用 Materials Studio 软件中的 Synthia 模块在 Compass力场下计算，并查阅相关手册得出各珠子(重复单元)在300 K的溶解度参数，最终得到各珠子的 Flory-Huggins 参数，见表1。

模拟基本配方：PVC树脂(宜宾天原集团股份有限公司)，100份；TY1(宜宾天原集团股份有限公司)，变量；有机锡稳定剂(市售)，2份；硬脂酸(市售)，1.5份。

由图2可知：TY1用量为1～3份时，TY1呈球状的分布状态，几乎完全被包覆于材料内部；TY1用量为5份时，TY1呈纤维状的分布状态，有部分裸露在材料表面，这样的结构可以增加PVC材料纵向的力学性能；TY1用量为7份时，TY1在PVC材料中呈现互穿网络结构，可使PVC材料各个方向的力学性能都得以提升；TY1用量为8份时，TY1与PVC树脂两相分离，会导致PVC材料的力学性能下降。

2.4 测试标准

拉伸强度和断裂伸长率按照GB/T 1040—1992《塑料拉伸性能试验方法》测试，悬臂梁缺口冲击强度按照 GB/T 1843—1996《塑料悬臂梁冲击试验方法》测试，弯曲强度按照GB/T 9341—2000《塑料弯曲性能试验方法》测试。

3 结果与讨论

3.1 拉伸强度

图3为TY1用量对PVC材料拉伸强度的影响。

  

图3 TY1用量对PVC材料拉伸强度的影响Fig.3 Effect of TY1 content on tensile strength of PVC materials

对各分子粗粒化完成后，计算各珠子间的相互作用参数，弹性常数设定为C=4。

3.2.2 线性与范围 取“2.4.1”项下硫酸滴定液，依次稀释成含硫酸盐（SO4）20、40、60、80、120、180 μg·mL-1，按“2.2”项下方法进行检测，结果显示，硫酸盐在20～180μg·mL-1线性范围良好，计算回归方程为y=0.095 3x+0.063 0，r=0.996 3。取线性溶液，逐步稀释，检测信噪比，结果显示检测限为0.17 ng（S/N=3），定量限为 0.50ng（S/N=10）。

3.2 冲击强度

当采用共混增韧的方法改性PVC时，通常在提高拉伸强度的同时会降低冲击强度，TY1也不例外。图4为TY1用量对PVC材料冲击强度的影响。由图4可知：随着TY1用量的增加，PVC材料的冲击强度逐渐下降。

影响学生心理的因素非常复杂，因而帮助他们形成健康心理的任务就十分艰巨。为了适应教学改革新形势的要求，实现全面实施素质教育的要求，教师应积极帮助农村中学生形成健康心理，更有效地对学生进行心理健康教育，这就需要学生、学校、家庭和社会等多方通力协作，共同来完成。

  

图4 TY1用量对PVC材料冲击强度的影响Fig.4 Effect of TY1 content on impact strength of PVC materials

3.3 弯曲强度

图5为TY1用量对PVC材料弯曲强度的影响。由图5可知：当TY1用量为1～5份时，随着其用量的增加，PVC材料的弯曲强度逐步上升；当TY1用量从5份增加到7份时，PVC材料的弯曲强度进一步提高，但增幅大幅减小；当TY1用量继续增加到8份时，弯曲性能反而大幅下降。PVC材料弯曲强度的变化规律也与DPD计算结果吻合：起初PVC材料弯曲强度的增加是因为TY1自组装为纤维状形态，最后弯曲强度的下降是因为出现了相分离。

  

图5 TY1用量对PVC材料弯曲强度的影响Fig.5 Effect of TY1 content on bending strength of PVC materials

4 结论

采用DPD方法模拟了不同TY1用量时，其在PVC材料内部的分布状态，理论分析了TY1用量对PVC材料性能的影响，并通过力学性能测试得到了验证，表明DPD方法可以为PVC材料的配方设计和性能预测提供准确的模拟。

[参考文献]

[1] 郑德，李壮利，黄玉松.无铅化稳定剂应用研究进展[J].国外塑料，2006，24(9)：34-39.

[2] 阮古敏，王燕.用ACR提高RPVC冲击性能的研究[J].现代塑料加工应用，1995，7(5)：14-16.

[3] 连超，唐功本，石强，等.稀土化合物在高分子科学中的应用研究进展[J].高分子通报，2007(3)：55-59.

[4] Geng Y， Simonsen J. Investigation of polyaminoa mideepichlorohydrin/stearic anhydride composites[J]. Journal of Applied Polymer Science， 2006， 99(3)： 712-718.

[5] Leach A R. Molecular modeling： principles and applications[J].Briefings in Bioinformatics, 2001, 2(2):199-200.

[6] Jang Y H，Blanco M，Creek J，et al. Inhibition by comb-like polymers：support of the incorporation-perturbation mechanism from molecular dynamics simulations[J]. Journal of Physical Chemistry B，2007，111(46)：13173-13179.

[7] Hoogerbrugge P, Koelman J. Simulating microscopic hydrodynamic phenomena with dissipative particle dynamics[J]. Europhysics Letters， 2007， 19(3)： 155-160.

[8] Groot R D，Warren P B. Dissipative particle dynamics：bridging the gap between atomistic and mesoscopic simulation[J]. Journal of Chemical Physics， 1997， 107(11): 4423-4435.

[9] Espanol P, Warren P. Statistical mechanics of dissipative particle dynamics[J]. Europhysics Letters， 1995， 30(4)： 191-196.

[10] Groot R D，Madden T J. Dynamic simulation of diblock copolymer microphase separation[J]. Journal of Chemical Physics， 1998， 108(20)： 8713-8724.