Μικροδομή και ρεολογικές ιδιότητες πολυμερικών τηγμάτων πολυαιθυλενοξειδίου και πολυισοπρενίου από μεσοσκοπικές προσομοιώσεις Brownian dynamics
Loading...
Date
2026-07-14
Authors
Πέτλης, Ευάγγελος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκαν μεσοσκοπικές προσομοιώσεις τηγμάτων πολυαιθυλενοξειδίου (PEO) με χρήση ενός υβριδικού σχήματος Brownian dynamics (BD) και kinetic Monte Carlo (kMC), στο οποίο η κίνηση των πολυμερικών αλυσίδων περιγράφεται μέσω δυναμικής κατά Brown, ενώ η δυναμική των διαπλοκών μέσω κινητικής Monte Carlo.
Για την αναπαράσταση των πολυμερικών αλυσίδων χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο χαντρών–ελατηρίων βασισμένο στη θεωρία Rouse, όπου κάθε χάντρα αντιστοιχεί σε ομάδα τμημάτων Kuhn και συνδέεται με τις γειτονικές της μέσω εντροπικών Γκαουσιανών ελατηρίων. Η περιγραφή των διαπλοκών πραγματοποιήθηκε με το μοντέλο πολλαπλών αλυσίδων ολισθαινόντων ελατηρίων (multi-chain slip-spring model), ενώ οι αλληλεπιδράσεις αποκλειόμενου όγκου εισήχθησαν μέσω μοντέλου τοπικής πυκνότητας βασισμένο στην καταστατική εξίσωση Sanchez–Lacombe.
Αρχικά πραγματοποιήθηκε παραμετροποίηση των αλληλεπιδράσεων αποκλειόμενου όγκου, με κριτήρια την ελαχιστοποίηση της ισόθερμης συμπιεστότητας και τον περιορισμό της επίδρασής τους στη θερμική κίνηση των αλυσίδων. Στη συνέχεια, ο αλγόριθμος επικυρώθηκε μέσω προσομοιώσεων αδιατάρακτων αλυσίδων και συστημάτων παρουσία αλληλεπιδράσεων αποκλειόμενου όγκου για μοριακά βάρη από 10 έως 50 kDa. Παρατηρήθηκε άριστη συμφωνία με τις θεωρητικές προβλέψεις του μοντέλου Rouse, ενώ η εισαγωγή αλληλεπιδράσεων αποκλειόμενου όγκου οδήγησε σε μικρές αλλά αναμενόμενες αποκλίσεις στις στατικές, δυναμικές και ρεολογικές ιδιότητες των αλυσίδων.
Στη συνέχεια εξετάστηκαν τήγματα PEO μοριακού βάρους 10 kDa σε θερμοκρασίες 413 K και 363 K. Μέσω συστηματικής παραμετροποίησης των ελατηρίων ερπυσμού προσδιορίστηκε ο κατάλληλος συνδυασμός χαρακτηριστικού μήκους διαπλοκών και μέσου αριθμού διαπλοκών ανά αλυσίδα, ώστε να αναπαράγονται οι βιβλιογραφικές τιμές του ιξώδους μηδενικού ρυθμού διάτμησης. Παράλληλα, διαπιστώθηκε ότι το μοντέλο περιγράφει ικανοποιητικά την εξάρτηση των ρεολογικών ιδιοτήτων από τη θερμοκρασία και αναπαράγει την αρχή της επαλληλίας χρόνου–θερμοκρασίας (temperature–time superposition).
Συνολικά, το αναπτυγμένο μοντέλο συνδυάζει ικανοποιητική φυσική ακρίβεια με χαμηλό υπολογιστικό κόστος, αναπαράγοντας με επιτυχία τις στατικές, δυναμικές και ρεολογικές ιδιότητες τηγμάτων PEO σε χρονικές και χωρικές κλίμακες που δεν είναι πρακτικά προσβάσιμες μέσω ατομιστικών προσομοιώσεων. Η καλή συμφωνία με θεωρητικές προβλέψεις, πειραματικά δεδομένα και υπολογιστικές μελέτες της βιβλιογραφίας, σε συνδυασμό με τη δυνατότητα επέκτασης του μοντέλου σε διαφορετικά πολυμερή και συνθήκες επεξεργασίας, το καθιστούν ένα ιδιαίτερα χρήσιμο εργαλείο για τη μελέτη πολυμερικών συστημάτων και για εφαρμογές έρευνας και ανάπτυξης βιομηχανικού ενδιαφέροντος.
Η εργασία εκπονήθηκε υπό τη συνεπίβλεψη του Δρ. Λουκά Περιστερά. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν κυρίως στο υπερυπολογιστικό σύστημα ARIS HPC της GRNET S.A. (προγράμματα POLYRHEO, POLYWLMSRHEO) καθώς και στην υπολογιστική υποδομή του Εργαστηρίου Μοριακής και Θερμοδυναμικής Μοντελοποίησης Υλικών του Ινστιτούτου Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας (ΙΝΝ) του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος».
Description
Keywords
Μπραούνια δυναμική, Κινητική monte carlo, Πολυαιθυλενοξείδιο, Ρεολογία