MÔ PHỎNG PHÂN HỦY NHIỆT CỦA MỘT SỐ POLYMER PHỔ BIẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
SIMULATION OF THE THERMAL DECOMPOSITION OF SOME COMMON POLYMERS USING THE MOLECULAR DYNAMICS METHOD
Các tệp bổ sung
- Bài viết: PDF
Sự gia tăng tích tụ của các polymer khó phân hủy cùng với nhu cầu phát triển các phụ gia chống cháy hiệu quả đã thúc đẩy các nghiên cứu về cơ chế phân hủy nhiệt của vật liệu Polymer. Trong nghiên cứu này, mô phỏng động học phân tử (MD) sử dụng trường lực phản ứng ReaxFF được thực hiện để khảo sát quá trình phân hủy nhiệt của HDPE, PS, PP và PI, cũng như ảnh hưởng của độ ẩm lên PA66 trong khoảng nhiệt độ 600–3000 K. Kết quả mô phỏng cho thấy đặc trưng phân hủy riêng biệt của từng loại Polymer và cho phép xác định các thông số động học Arrhenius phục vụ mô hình hóa quá trình phân hủy nhiệt. Những kết quả thu được góp phần làm sáng tỏ cơ chế phân hủy của polymer, hỗ trợ đánh giá nguy cơ cháy và sự phát sinh khí độc, từ đó định hướng thiết kế vật liệu polymer an toàn và có khả năng chống cháy cao hơn.
động học phân tử, ReaxFF, phân hủy nhiệt, Polyolefin, Polyimide, cơ chế phân rã, năng lượng hoạt hóa
The growing accumulation of non-degradable polymers and the demand for efficient flame-retardant additives have motivated studies on their thermal degradation mechanisms. In this study, molecular dynamics (MD) simulations using the reactive force field (ReaxFF) were conducted to investigate the thermal decomposition of HDPE, PS, PP, and PI, as well as the effect of moisture on PA66, within a temperature range of 600–3000 K. The simulations revealed distinct degradation behaviors for each polymer and enabled the extraction of Arrhenius kinetic parameters for modeling their thermal decomposition. The obtained results enhance the understanding of polymer degradation pathways, providing insights into fire hazard evaluation and toxic gas generation, thereby supporting the design of safer and enhanced flame-resistant polymer materials.
molecular dynamics, ReaxFF, thermal decomposition, Polyolefin, Polyimide, decomposition mechanism, activation energy
Tài liệu tham khảo
1. Van Duin, A. C. T., Dasgupta, S., Lorant, F., & Goddard, W. A. III. (2001). ReaxFF: A reactive force field for hydrocarbons. Journal of Physical Chemistry A, 105(41), 9396‑9409. https://doi.org/10.1021/JP004368U.
2. Plimpton, S. J. (1995). Fast parallel algorithms for short‑range molecular dynamics. Journal of Computational Physics, 117, 1‑19. https://doi.org/10.1006/jcph.1995.1039.
3. Martínez, L., Andrade, R., Birgin, E. G., & Martínez, J. M. (2009). PACKMOL: A package for building initial configurations for molecular dynamics simulations. Journal of Computational Chemistry, 30(13), 2157‑2164. https://doi.org/10.1002/jcc.21224.
4. Liu, X., Li, X., Liu, J., Wang, Z., & Gong, X. (2014). Study of high‑density polyethylene pyrolysis with reactive molecular dynamics. Polymer D&S, 104, 62‑70. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2014.03.022.
5. Guo, W., Fan, K., Guo, G., & Wang, J. (2022). Atomic‑scale insight into thermal decomposition behavior of polypropylene via ReaxFF MD. Polymer Degradation and Stability, 200, 110038. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.110038.
6. Huang, Y.‑H., Wu, M.‑N., Song, C.‑W., Zhang, J.‑J., Sun, T., & Jiang, L. (2018). Simulation and experimental investigations of thermal degradation of polystyrene under femtosecond laser ablation. Applied Physics A, 124, 797. https://doi.org/10.1007/s00339-018-2215-z.
7. Xu, S., Lin, D., Li, R., Zhan, J., & Wu, D. (2024). Effect of chemical structures and environmental factors on the thermal degradation mechanism of polyimide: Experiments and molecular dynamics simulations. Materials Today Chemistry, 40, 102242. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2024.102242.
8. Arash, B., Thijsse, B. J., Pecenko, A., & Simone, A. (2017). Effect of water content on the thermal degradation of amorphous polyamide‑6,6: A collective variable‑driven hyperdynamics study. Polymer Degradation and Stability, 146, 260‑266. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2017.10.019
9. Wolf, D., Keblinski, P., Phillpot, S. R., & Eggebrecht, J. (1999). Exact method for the simulation of Coulombic systems by spherically truncated, pairwise r−1 summation. The Journal of Chemical Physics, 110(17), 8254–8282. https://doi.org/10.1063/1.478738
10. Panczyk, T., Cichy, M., & Panczyk, M. (2025). Shock‑wave‑induced degradation of polyethylene and polystyrene: A reactive molecular dynamics study on nanoplastic transformation. Molecules, 30(10), 2164. https://doi.org/10.3390/molecules30102164.
11. Zharinov, M. A., Petrova, A. P., Babchuk, I. V., & Akhmadieva, K. R. (2022). Thermally Stable Polyimide Structural Adhesives. Polymer Science, Series D, 15(2), 143–149. https://doi.org/10.1134/S1995421222020332.
