1 前言
    聚苯硫醚（PPS）是一種新型的熱塑性樹脂,具有許多優良的品性,如耐熱性、耐化學腐蝕性、尺寸穩定性、阻燃性、與無機填料良好的親和性等。然而由于聚苯硫醚分子結構中所含有的較高比例的苯環可與硫原子上的孤電子對形成P-π共軛體系，分子鏈的剛性較大，故聚苯硫醚樹脂同時具有易碎裂、耐沖擊強度低等缺點。對聚苯硫醚材料進行增強改性的途徑之一便是以聚苯硫醚為基體，用各種纖維進行增強。
    文獻[1]通過工藝實驗，研究了多種可控參數變化對芳綸纖維增強聚苯硫醚復合材料性能的影響。其中的工藝實驗表明，芳綸纖維表面引入環氧基團后，芳綸纖維與聚苯硫醚界面粘結強度得到改善。本文的目的，應用分子力學計算比較芳綸纖維未經任何處理和芳綸纖維經文獻[1]方式處理后的兩種情形下復合材料的界面體系的能量變化，由此揭示芳綸纖維經表面化學處理后芳綸纖維增強聚苯硫醚復合材料界面增強的微觀機理。
2 計算研究對象的分子結構式
    文獻[1]制備芳綸纖維增強聚苯硫醚復合材料的工藝實驗樣品時,溫度均控制在350℃以下。如文獻[1]指出，DSC分析表明在這樣的溫度條件下，芳綸纖維和聚苯硫醚樹脂均不發生化學變化。
2.1 纖維未經處理時芳綸纖維增強聚苯硫醚復合材料界面各組分的分子結構式
    聚苯硫醚結構式為：-(C₆H₄-S)_n-      (1)
    芳綸纖維結構式為：

       
2.2 纖維表面經處理后芳綸纖維增強聚苯硫醚復合材料界面各組分的分子結構式
    聚苯硫醚結構式為：-(C₆H₄-S)_n－
    與聚苯硫醚樹脂粘接的組分的結構式為：

         
3 計算研究所依據的基本原理
    分子力學又稱分子力場方法，是日益得到應用的新的材料科學研究方法-分子模擬中的一種方法。分子力學方法解決問題的關鍵和核心是求出分子體系的勢能面。獲得勢能面，分子體系的相關性質就可以計算得到。與量子力學通過解Schrodinger方程獲得勢能面不同，分子力學是通過力場“裝配”產生勢能面(參考文獻[2])，是在Born-Oppenheimer近似下對勢能面的經驗性擬合(參考文獻[3])。由量子力學理論知道，在非相對論和無時間依賴性的情況下，簡化形式的Schrodinger方程為：

          
    其中，H為體系的Hamiltonion算符；ψ為與原子核R和電子位置r相關的波函數。
    Born-Oppenheimer近似認為，電子的運動和原子核的運動可以分開處理，則式(4)可分解為如下的電子運動方程(5)和核運動方程(6)：

          
    其中，He和Hn分別為電子運動和核運動方程的Hamiltonion算符：Ψ(r,R)和ψ(R)分別為電子運動和核運動方程的波函數。由于量子力學求解波函數和勢能面耗時巨大，當體系過大時目前的計算工具甚至無法處理，故分子力學借助牛頓力學求勢能面(參考文獻[4]),分子中的原子被看作是相互獨立的“彈簧”連接起來的體系，即分子力學的力場是在一系列分子范圍內，結合經驗參數和經驗數據，經過內延和外推并參數化得到的。盡管不同的力場具有不同的能量項，但幾乎所有的力場都包括以下幾項：健伸縮能、鍵角扭曲能、二面角能、范德華作用能和靜電作用能等項(參考文獻[5~10])。分子力學的算法的時間和空間復雜度比量子力學的減少許多，可用于計算含有大量原子的分子體系，且運算速度通常比量子力學法快幾個數量級。[-page-]
4 計算實施步驟及輸出結果
    為了應用分子力學法揭示芳綸纖維增強聚苯硫醚復合材料，在芳綸纖維經文獻[1]方式處理后界面增強的微觀機理，需要以芳綸纖維未經處理時復合材料界面體系的能量為參照，比較芳綸纖維經表面處理后復合材料界面體系的能量變化。因此，需要對纖維未經處理時的界面體系和纖維經表面處理后的界面體系分別實施分子力學計算。本文工作采用中科院開發的MP1.0軟件進行計算。
4.1 計算步驟
    計算芳綸纖維未經表面處理時界面體系的能量的實施步驟為：①調用Build菜單功能構造式(1)的分子結構式；②調用Build菜單功能構造式(2)的分子結構式；③調用Mol.Mechanics萊單功能，設置初始參數并開始實施計算；④調用Analyse萊單功能輸出計算結果。
    計算芳綸纖維經表面處理后界面體系的能量的實施步驟為:①調用Build萊單功能構造式(1)的分子結構式；②調用Build萊單功能構造式(3)的分子結構式；③調用Mol. Mechanics萊單功能，設置初始參數并開始實施計算；④調用Analyse菜單功能輸出計算結果。
4.2 計算結果
    MP1.0軟件計算輸出結果經整理歸總后列于表1，其中的鍵聯能量項是將所輸出的鍵伸縮能、鍵角扭曲能、二面角能等項加和，表中各能量的單位均為kcal。

          
5 結論
    表1所蘊涵的結論是顯而易見的：
    (1)芳綸纖維表面按照文獻[1]方式引入環氧基團后，芳綸纖維增強聚苯硫醚復合材料界面體系的范德華作用能和靜電作用能這兩項非鍵聯作用能均顯著增加，這表明界面體系兩組分的分子間的相互吸引力顯著提高；
    (2)芳綸纖維表面按照文獻[1]方式引入環氧基團后，芳綸纖維增強聚苯硫醚復合材料界面體系的總能量顯著減小，這表明界面體系的結構穩定性顯著提高。
    上述兩方面因素正是文獻[1]的工藝實驗所觀察到的，芳綸纖維表面經適當化學處理后芳綸纖維增強聚苯硫醚復合材料界面增強的本質的微觀機理。
                    參考文獻
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[9] Lii J. H.，Allinger N. L.. Directional Hydrogen Bonding in the MM3 Force Field I[J].J. Phys. Org. Chem.,1994,(7):591．
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