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Thermal Conductivity of Polymer Materials - Reverse Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulations

Algaer, Elena :
Thermal Conductivity of Polymer Materials - Reverse Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulations.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Thermal Conductivity of Polymer Materials - Reverse Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulations
Language: English
Abstract:

The purpose of the work presented in this thesis has been to investigate thermal transport in pure polystyrene as well as in a mixture of polystyrene and carbon dioxide. Another part of the work has been to calculate the anisotropy of the thermal conductivity in stretched polystyrene. To finally tie everything together, the most important part has been to understand thermal transport mechanisms on the basis of the thermal conductivity of polystyrene and thermal conductivity of several molecular liquids, amorphous polyamide-6,6 and crystalline polystyrene. In chapter 1 the nonequilibrium molecular dynamic methods for calculation of the thermal conductivity have been discussed. The methods have been well-known and described in literature in much detail. Additionally, recent improvements in the calculation of the thermal conductivity of molecular liquids, polymers and carbon nanotubes have been discussed. An analysis has been made of the influence of simulation parameters such as the use of thermostats, perturbation periods, the size of the system, and force field parameters on the calculated thermal conductivity. The ability of molecular dynamics simulations to predict thermodynamic properties is highly determined by the potential used to represent inter- and intramolecular interactions. As it has been discussed in chapter 1, the choice of the force field is of the great importance and has the greatest influence on the thermal conductivity calculated. In chapter 2 the thermal conductivity of atactic polystyrene (PS) swollen in supercritical CO2 as evaluated by reverse nonequilibrium molecular dynamics simulations (RNEMD) has been discussed. As experimental thermal conductivity values for the binary systems have not been reported, the computer simulations have been extended to the components PS and CO2, for which measured data is available. The comparison of calculated and experimental thermal conductivities of the components is a prerequisite for quantifying the capability of the present theoretical tools. The analysis offers a second benefit, i.e. the presentation of an analytical interpolation formula to relate the thermal conductivity of the components PS and CO2 to the thermal conductivity of the binary mixture. The thermal conductivity of PS-CO2 mixtures as a function of temperature, pressure and CO2 concentration by RNEMD simulations has been analyzed. Many polymers are highly anisotropic, for example crystalline polymers. Thermal conductivity is one of the quantities for which anisotropic behavior has been observed. The anisotropy of the thermal conductivity has been analyzed in several experimental and theoretical studies on polymers, such as amorphous polyamide-6,6 and polyethylene.2,4,8 In chapter 3 the anisotropy of the thermal conductivity of stretched atactic polystyrene swollen in supercritical CO2 by reverse nonequilibrium molecular dynamics simulations has been discussed. In chapter 4 all important steps and achievements that have been done during this work have been summarized and an outlook on the work that can be done in the future has been given. In the end of the dissertation one can find a list of the papers that have been published during this PhD work.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden Arbeit wurde die Wärmeleitfähigkeit von reinem Polystyrol sowie von einer Mischung aus Polystyrol und CO2 untersucht. Des Weiteren wurde die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit in gestrecktem Polystyrol berechnet. Ein zentraler Bestandteil der Arbeit war es, die thermischen Transportprozesse auf Basis der Wärmeleitfähigkeit in verschiedenen molekularen Flüssigkeiten, amorphem Polyamid-6,6 und kristallinem Polystyrol zu untersuchen. In Kapitel 1 werden kurz bekannte Nichtgleichgewichts Molekular Dynamik Methoden zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeiten vorgestellt. Außerdem werden aktuelle Entwicklungen in den Bereichen der molekularen Flüssigkeiten, Polymeren und Kohlenstoffnanoröhren diskutiert. Betrachtet wurde der Einfluss von Simulationsparametern, wie Thermostat, Austauschperiode, Größe der Simulationszelle und Kraftfeld, auf die berechneten Wärmeleitfähigkeiten. Die Aussagekraft molekular-dynamischer Methoden zur Berechnung thermischer Eigenschaften hängt in erster Linie vom Potenzial zur Beschreibung inter- und intramolekularer Wechselwirkungen ab. Wie in Kapitel 1 demonstriert wurde, haben die Kraftfeldparameter einen großen Einfluss auf die berechneten Wärmeleitfähigkeiten. In Kapitel 2 wurde die Wärmeleitfähigkeit von ataktischem Polystyrol in superkritischem CO2 mithilfe von Invertierten Nichtgleichgewichts Molekular Dynamik (Reverse Nonequilibrium Molecular Dynamics, kurz RNEMD) Simulationen diskutiert. Da für die binären Systeme keine experimentellen Messungen vorliegen, wurden die Computersimulationen auf die reinen Komponenten Polystyrol und CO2 ausgedehnt, denn für diese Komponenten standen Messdaten zur Verfügung. Der Vergleich berechneter und gemessener Wärmeleitfähigkeiten ist Voraussetzung um die Leistungsfähigkeit der bestehenden theoretischen Methoden zu quantifizieren. Die Analyse hat den weiteren Vorteil, dass die Interpolationsformel es erlaubt die Wärmeleitfähigkeit der Komponenten Polystyrol und CO2 mit der Leitfähigkeit des binären Systems zu korrelieren. Im Detail wurde die Wärmeleitfähigkeit der Mischung aus Polystyrol und CO2 mit der RNEMD Methode als Funktion der Temperatur, des Druckes und der CO2 Konzentration untersucht. Viele Polymere sind sehr anisotrop, beispielsweise kristalline Polymere. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine der Größen, bei der Anisotropien beobachtet wurden. Die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit wurde bereits in einigen Experimenten und theoretischen Studien zu Polyamid-6,6 und Polyethylen untersucht. In Kapitel 3 wurde die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit von gestrecktem ataktischem Polystyrol in superkritischem CO2 mithilfe von RNEMD Simulationen diskutiert. In Kapitel 4 wurden die wichtigsten Ergebnisse und Fortschritte dieser Arbeit zusammengefasst. Das Fazit gibt einen Ausblick auf künftig vielversprechende weitere Untersuchungsmöglichkeiten. Am Ende der Arbeit befindet sich die Liste der Publikationen, die im Rahmen der vorliegenden Dissertation, veröffentlicht wurden.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Chemie > Physikalische Chemie
Date Deposited: 11 May 2010 10:27
Last Modified: 07 Dec 2012 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-21452
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Müller-Plathe, Prof. Dr. Florian and van der Vegt, Prof. Dr. Nico
Refereed: 22 March 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2145
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  • Thermal Conductivity of Polymer Materials - Reverse Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulations. (deposited 11 May 2010 10:27) [Currently Displayed]

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