Atomistic modeling and simulation of the mechanical properties of sPMMA - graphene nanocomposites

Small concentrations of graphene can significantly alter the phase behavior and the mechanical and electrical characteristics of polymeric materials. In this Masters thesis, we present results from a hierarchical simulation methodology that leads to the prediction of the thermodynamic, conform...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Σκούντζος, Εμμανουήλ - Θεόδωρος
Άλλοι συγγραφείς: Μαυραντζάς, Βλάσης
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2014
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/7968
id nemertes-10889-7968
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Simulation
Molecular dynamics
Graphene
Polymer nanocomposites
Mechanical properties
PMMA
Προσομοίωση
Μοριακή δυναμική
Γραφένιο
Νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά
Μηχανικές ιδιότητες
Πολυ (μεθακρυλικός μεθυλεστέρας)
620.192 042 92
spellingShingle Simulation
Molecular dynamics
Graphene
Polymer nanocomposites
Mechanical properties
PMMA
Προσομοίωση
Μοριακή δυναμική
Γραφένιο
Νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά
Μηχανικές ιδιότητες
Πολυ (μεθακρυλικός μεθυλεστέρας)
620.192 042 92
Σκούντζος, Εμμανουήλ - Θεόδωρος
Atomistic modeling and simulation of the mechanical properties of sPMMA - graphene nanocomposites
description Small concentrations of graphene can significantly alter the phase behavior and the mechanical and electrical characteristics of polymeric materials. In this Masters thesis, we present results from a hierarchical simulation methodology that leads to the prediction of the thermodynamic, conformational, structural, dynamic and mechanical properties of polymer nanocomposites. As a model system, we have chosen syndiotactic poly(methyl methacrylate) or sPMMA reinforced with uniformly dispersed graphene sheets. How graphene functionalization affects the elastic constants of the resulting nanocomposite is also examined. The simulation strategy entails three steps: 1) Generation of an initial structure which is subjected to potential energy minimization and detailed molecular dynamics (MD) simulations at T=500K and P=1atm, to obtain well relaxed melt configurations of the nanocomposite and to extract any interested properties. Furthermore, for the sPMMA/graphene nanocomposite: 2) Gradual cooling of selected configurations down to room temperature to obtain a good number of structures representative of its glassy phase, and 3) Molecular mechanics (MM) calculations of its mechanical properties following the method originally proposed by Theodorou and Suter. The MD simulations have been executed with the LAMMPS code using the all-atom DREIDING force-field. By analyzing MD trajectories under constant temperature and pressure, all nanocomposite systems were found to exhibit slower terminal and segmental dynamics than the unfilled ones. The addition of a small fraction of graphene sheets in the polymer matrix led to the enhancement of its elastic constants especially when functionalized graphene sheets were used.
author2 Μαυραντζάς, Βλάσης
author_facet Μαυραντζάς, Βλάσης
Σκούντζος, Εμμανουήλ - Θεόδωρος
format Thesis
author Σκούντζος, Εμμανουήλ - Θεόδωρος
author_sort Σκούντζος, Εμμανουήλ - Θεόδωρος
title Atomistic modeling and simulation of the mechanical properties of sPMMA - graphene nanocomposites
title_short Atomistic modeling and simulation of the mechanical properties of sPMMA - graphene nanocomposites
title_full Atomistic modeling and simulation of the mechanical properties of sPMMA - graphene nanocomposites
title_fullStr Atomistic modeling and simulation of the mechanical properties of sPMMA - graphene nanocomposites
title_full_unstemmed Atomistic modeling and simulation of the mechanical properties of sPMMA - graphene nanocomposites
title_sort atomistic modeling and simulation of the mechanical properties of spmma - graphene nanocomposites
publishDate 2014
url http://hdl.handle.net/10889/7968
work_keys_str_mv AT skountzosemmanouēltheodōros atomisticmodelingandsimulationofthemechanicalpropertiesofspmmagraphenenanocomposites
AT skountzosemmanouēltheodōros atomistikēmontelopoiēsēkaiprosomoiōsētōnmēchanikōnidiotētōnsyndiotaktikoupolymethakrylikoumethylesteragrapheniou
_version_ 1771297171611582464
spelling nemertes-10889-79682022-09-05T06:57:58Z Atomistic modeling and simulation of the mechanical properties of sPMMA - graphene nanocomposites Ατομιστική μοντελοποίηση και προσομοίωση των μηχανικών ιδιοτήτων συνδιοτακτικού πολυ (μεθακρυλικού μεθυλεστέρα) / γραφενίου Σκούντζος, Εμμανουήλ - Θεόδωρος Μαυραντζάς, Βλάσης Μαυραντζάς, Βλάσης Τσαμόπουλος, Ιωάννης Γαλιώτης, Κωνσταντίνος Skountzos, Emmanouil - Theodoros Simulation Molecular dynamics Graphene Polymer nanocomposites Mechanical properties PMMA Προσομοίωση Μοριακή δυναμική Γραφένιο Νανοσύνθετα πολυμερικά υλικά Μηχανικές ιδιότητες Πολυ (μεθακρυλικός μεθυλεστέρας) 620.192 042 92 Small concentrations of graphene can significantly alter the phase behavior and the mechanical and electrical characteristics of polymeric materials. In this Masters thesis, we present results from a hierarchical simulation methodology that leads to the prediction of the thermodynamic, conformational, structural, dynamic and mechanical properties of polymer nanocomposites. As a model system, we have chosen syndiotactic poly(methyl methacrylate) or sPMMA reinforced with uniformly dispersed graphene sheets. How graphene functionalization affects the elastic constants of the resulting nanocomposite is also examined. The simulation strategy entails three steps: 1) Generation of an initial structure which is subjected to potential energy minimization and detailed molecular dynamics (MD) simulations at T=500K and P=1atm, to obtain well relaxed melt configurations of the nanocomposite and to extract any interested properties. Furthermore, for the sPMMA/graphene nanocomposite: 2) Gradual cooling of selected configurations down to room temperature to obtain a good number of structures representative of its glassy phase, and 3) Molecular mechanics (MM) calculations of its mechanical properties following the method originally proposed by Theodorou and Suter. The MD simulations have been executed with the LAMMPS code using the all-atom DREIDING force-field. By analyzing MD trajectories under constant temperature and pressure, all nanocomposite systems were found to exhibit slower terminal and segmental dynamics than the unfilled ones. The addition of a small fraction of graphene sheets in the polymer matrix led to the enhancement of its elastic constants especially when functionalized graphene sheets were used. Μικρές συγκεντρώσεις γραφενίου μπορούν να τροποποιήσουν σημαντικά τη φασική συμπεριφορά και τα μηχανικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των πολυμερικών υλικών. Στη παρούσα εργασία παρουσιάζουμε αποτελέσματα από μία ιεραρχική μεθοδολογία προσομοίωσης που οδηγεί στη πρόβλεψη των θερμοδυναμικών, δομικών, δυναμικών και μηχανικών ιδιοτήτων πολυμερικών νανοσύνθετων υλικών. Σαν σύστημα μοντελοποίησης, επιλέξαμε τον συνδιοτακτικό πολυμεθακρυλικό μεθυλεστέρα, syndiotactic poly(methyl methacrylate), ή sPMMA, ενισχυμένο με ομοιόμορφα διεσπαρμένα φύλλα γραφενίου. Επίσης εξετάζεται και το πώς η χημική τροποποίηση του γραφενίου επηρεάζει τις ελαστικές ιδιότητες του νανοσύνθετου υλικού. Η στρατηγική της προσομοίωσης των συστημάτων συνοψίζεται σε τρία βήματα: 1) Δημιουργία αρχικών απεικονίσεων οι οποίες υποβάλλονται σε ελαχιστοποίηση της δυναμικής τους ενέργειας και στη συνέχεια σε λεπτομερείς προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής (MD) σε T=500K και P=1atm, ώστε να εξαγάγουμε πλήρως χαλαρωμένες διαμορφώσεις τήγματος του νανοσύνθετου υλικού και να υπολογίσουμε ιδιότητες που μας ενδιαφέρουν. Επιπλέον για τα νανοσύνθετα υλικά sPMMA/γραφενίου συνεχίζουμε με 2) Σταδιακή ψύξη επιλεγμένων ατομιστικών διαμορφώσεων σε θερμοκρασία δωματίου με σκοπό την εξαγωγή ενός ικανοποιητικού αριθμού δομών, αντιπροσωπευτικών της υαλώδους φάσης τους, και 3) Εφαρμογή της μεθόδου της Μοριακής Μηχανικής (MM) για τον υπολογισμό των μηχανικών ιδιοτήτων τους ακολουθώντας τη μέθοδο που προτάθηκε από τους Θεοδώρου και Suter. Οι προσομοιώσεις της Μοριακής Δυναμικής πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του κώδικα LAMMPS, εφαρμόζοντας το DREIDING πεδίο-δυνάμεων και υιοθετόντας το μοντέλο των διακριτών ατόμων για την περιγραφή των ατομιστικών αλληλεπιδράσεων των συστημάτων. Αναλύοντας τις τροχιές των ατόμων από τις προσομοιώσεις της Μοριακής Δυναμικής υπό σταθερή θερμοκρασία και πίεση, τα υπό μελέτη νανοσύνθετα συστήματα βρέθηκαν να παρουσιάζουν βραδύτερη ολική και τοπική δυναμική σε σχέση με το καθαρό πολυμερές. Η προσθήκη μικρών κλασμάτων φύλλων γραφενίου στην πολυμερική μήτρα οδήγησε στην ενίσχυση των ελαστικών ιδιοτήτων της και σε μία περαιτέρω βελτίωση αυτών, όταν χρησιμοποιήθηκαν χημικώς τροποιημένα φύλλα γραφενίου. 2014-08-26T16:37:57Z 2014-08-26T16:37:57Z 2013-07-30 2014-08-26 Thesis http://hdl.handle.net/10889/7968 en Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. 6 application/pdf