Molecular dynamics simulation of the mechanical properties of butadiene rubber and its silica nanocomposites

The thesis is a route to the Molecular Dynamics simulation of silica/butadiene rubber. In the first chapter, we designed an algorithm for the vulcanisation of united atom polybutadiene. We tested basic theories of rubber elasticity and characterised the topology and mechanical properties of the networks obtained. The second chapter is dedicated to the parametrisation of a force field for coarse-grained silica walls sandwiching polybutadiene. This conformation was also used to address the origin of the Payne effect, in conditions where silica is grafted or chemically decoupled to the polymer. The last chapter is dedicated to the ultimate mechanical properties of silica/butadiene rubber and it combines the simulation protocols investigated in the previous chapters. The simulations include the possibility of bond breaking, in order to simulate failure. We applied a material design exploration that is typical of the industrial mindset. By changing one parameter of the system at a time, we optimised the material by maximising some target properties.

La tesi è concepita come un percorso verso la realizzazione di un modello di dinamica molecolare di un nanocomposito elastomerico polibutadiene/silice. Nel primo capitolo viene sviluppato un algoritmo per la vulcanizzazione di polibutadiene a grana grossa. Il reticolo viene caratterizzato per topologia e proprietà meccaniche, ed i risultati vengono confrontati con predizioni teoriche di base riguardanti l’elasticità della gomma. Nel secondo capitolo viene parametrizzato un campo di forze per pareti di silice a grana grossa, confinanti uno strato di polibutadiene non reticolato. Questa struttura è inoltre utile per lo studio dell’effetto Payne, in condizioni in cui il polimero sia legato o solo adsorbito alle pareti di silice. L’ultimo capitolo è dedicato alle proprietà ultime del composito, e combina i protocolli di simulazione sviluppati nei precedenti capitoli. Il modello prevede la possibilità di rottura dei legami, permettendo di simulare la frattura. L’ottimizzazione del materiale segue una strategia tipica dell’industria, in cui la massimizzazione delle proprietà è ricercata tramite variazione di un singolo parametro per ogni test.