热塑性环氧树脂/聚乙二醇复合材料的分子动力学机制：降低玻璃化转变温度(Tg)与增强力学性能的多尺度研究

为解决热塑性环氧树脂(TEP)因高玻璃化转变温度(Tg)导致加工性能受限的问题，研究人员通过实验与分子动力学(MD)模拟相结合的方法，系统研究了聚乙二醇(PEG)掺杂对TEP/PEG复合材料热力学性能的影响。研究发现，PEG的加入显著提高了体系自由体积分数(FFV)，促进分子链运动，使Tg降低约35K，同时维持了材料的力学强度。该研究为智能纺织和形状记忆材料开发提供了理论依据与技术支撑。

　　

研究背景与意义
热塑性环氧树脂(TEP)因其可回收性和低挥发性有机物排放等优势，在航空航天、智能纺织等领域展现出巨大潜力。然而，其高玻璃化转变温度(T_g)导致的加工困难，以及固化后的脆性问题长期制约着应用拓展。尽管已有研究尝试通过添加聚乙二醇(PEG)改善性能，但关于PEG如何从分子层面影响TEP热力学行为的机制仍不明确。这一科学问题的解答，对开发高性能TEP基复合材料至关重要。

研究机构与方法
中国科学院团队通过实验与分子动力学(MD)模拟相结合的方法，构建了不同PEG含量(5%、10%、15%)的TEP/PEG复合体系模型。采用动态机械分析(DMA)测定T_g，结合扫描电镜(SEM)观察形貌，并通过COMPASSⅢ力场计算自由体积分数(FFV)、均方位移(MSD)等参数。水接触角测试和溶胀实验评估了材料表面特性。

研究结果

1. 自由体积与玻璃化转变
   FFV分析显示，PEG含量从0%增至15%时，自由体积从12.77%提升至18.29%。MD模拟的T_g从385K降至350K，与DMA实验结果(104°C→55°C)高度吻合，证实PEG通过扩大分子链运动空间降低T_g。

2. 分子运动特性
   MSD曲线表明，PEG添加使TEP分子链扩散系数提升，尤其在15%含量时最显著。径向分布函数(RDF)证实PEG未改变TEP本体结构，但5.0?处的特征峰揭示了二者间的范德华力相互作用。

3. 氢键与力学性能
   氢键数量从622(纯TEP)增至683(TEP/PEG-15)，但短链PEG阻碍了TEP分子间氢键形成。拉伸模拟显示，PEG使屈服应力从3.60GPa降至3.20GPa，但实验测得模量反从552MPa升至726MPa，归因于PEG改善熔体流动性。

4. 表面特性
   接触角测试表明，PEG将材料亲水性从59.3°提升至87.8°，溶胀实验显示15%PEG样品在水中质量变化率仅3.51%，远低于酒精中的12.53%，说明材料在水环境中稳定性更佳。

结论与展望
该研究首次从分子尺度揭示了PEG通过扩大自由体积、调控氢键网络和范德华作用的协同机制，实现T_g降低而不牺牲力学性能的创新路径。开发的TEP/PEG薄膜兼具低T_g(55°C)、高模量(726MPa)和可控亲水性，为智能纺织品和形状记忆材料提供了理想候选材料。研究采用的"模拟-实验"双验证策略，为高分子复合材料设计提供了方法论参考。论文发表于《Journal of Molecular Structure》，其成果有望推动热塑性环氧树脂在柔性电子器件等新兴领域的应用。