1 前言
    聚苯硫醚（PPS）是一种新型的热塑性树脂,具有许多优良的品性,如耐热性、耐化学腐蚀性、尺寸稳定性、阻燃性、与无机填料良好的亲和性等。然而由于聚苯硫醚分子结构中所含有的较高比例的苯环可与硫原子上的孤电子对形成P-π共轭体系，分子链的刚性较大，故聚苯硫醚树脂同时具有易碎裂、耐冲击强度低等缺点。对聚苯硫醚材料进行增强改性的途径之一便是以聚苯硫醚为基体，用各种纤维进行增强。
    文献[1]通过工艺实验，研究了多种可控参数变化对芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料性能的影响。其中的工艺实验表明，芳纶纤维表面引入环氧基团后，芳纶纤维与聚苯硫醚界面粘结强度得到改善。本文的目的，应用分子力学计算比较芳纶纤维未经任何处理和芳纶纤维经文献[1]方式处理后的两种情形下复合材料的界面体系的能量变化，由此揭示芳纶纤维经表面化学处理后芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料界面增强的微观机理。
2 计算研究对象的分子结构式
    文献[1]制备芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料的工艺实验样品时,温度均控制在350℃以下。如文献[1]指出，DSC分析表明在这样的温度条件下，芳纶纤维和聚苯硫醚树脂均不发生化学变化。
2.1 纤维未经处理时芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料界面各组分的分子结构式
    聚苯硫醚结构式为：-(C₆H₄-S)_n-      (1)
    芳纶纤维结构式为：

       
2.2 纤维表面经处理后芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料界面各组分的分子结构式
    聚苯硫醚结构式为：-(C₆H₄-S)_n－
    与聚苯硫醚树脂粘接的组分的结构式为：

         
3 计算研究所依据的基本原理
    分子力学又称分子力场方法，是日益得到应用的新的材料科学研究方法-分子模拟中的一种方法。分子力学方法解决问题的关键和核心是求出分子体系的势能面。获得势能面，分子体系的相关性质就可以计算得到。与量子力学通过解Schrodinger方程获得势能面不同，分子力学是通过力场“装配”产生势能面(参考文献[2])，是在Born-Oppenheimer近似下对势能面的经验性拟合(参考文献[3])。由量子力学理论知道，在非相对论和无时间依赖性的情况下，简化形式的Schrodinger方程为：

          
    其中，H为体系的Hamiltonion算符；ψ为与原子核R和电子位置r相关的波函数。
    Born-Oppenheimer近似认为，电子的运动和原子核的运动可以分开处理，则式(4)可分解为如下的电子运动方程(5)和核运动方程(6)：

          
    其中，He和Hn分别为电子运动和核运动方程的Hamiltonion算符：Ψ(r,R)和ψ(R)分别为电子运动和核运动方程的波函数。由于量子力学求解波函数和势能面耗时巨大，当体系过大时目前的计算工具甚至无法处理，故分子力学借助牛顿力学求势能面(参考文献[4]),分子中的原子被看作是相互独立的“弹簧”连接起来的体系，即分子力学的力场是在一系列分子范围内，结合经验参数和经验数据，经过内延和外推并参数化得到的。尽管不同的力场具有不同的能量项，但几乎所有的力场都包括以下几项：健伸缩能、键角扭曲能、二面角能、范德华作用能和静电作用能等项(参考文献[5~10])。分子力学的算法的时间和空间复杂度比量子力学的减少许多，可用于计算含有大量原子的分子体系，且运算速度通常比量子力学法快几个数量级。[-page-]
4 计算实施步骤及输出结果
    为了应用分子力学法揭示芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料，在芳纶纤维经文献[1]方式处理后界面增强的微观机理，需要以芳纶纤维未经处理时复合材料界面体系的能量为参照，比较芳纶纤维经表面处理后复合材料界面体系的能量变化。因此，需要对纤维未经处理时的界面体系和纤维经表面处理后的界面体系分别实施分子力学计算。本文工作采用中科院开发的MP1.0软件进行计算。
4.1 计算步骤
    计算芳纶纤维未经表面处理时界面体系的能量的实施步骤为：①调用Build菜单功能构造式(1)的分子结构式；②调用Build菜单功能构造式(2)的分子结构式；③调用Mol.Mechanics莱单功能，设置初始参数并开始实施计算；④调用Analyse莱单功能输出计算结果。
    计算芳纶纤维经表面处理后界面体系的能量的实施步骤为:①调用Build莱单功能构造式(1)的分子结构式；②调用Build莱单功能构造式(3)的分子结构式；③调用Mol. Mechanics莱单功能，设置初始参数并开始实施计算；④调用Analyse菜单功能输出计算结果。
4.2 计算结果
    MP1.0软件计算输出结果经整理归总后列于表1，其中的键联能量项是将所输出的键伸缩能、键角扭曲能、二面角能等项加和，表中各能量的单位均为kcal。

          
5 结论
    表1所蕴涵的结论是显而易见的：
    (1)芳纶纤维表面按照文献[1]方式引入环氧基团后，芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料界面体系的范德华作用能和静电作用能这两项非键联作用能均显著增加，这表明界面体系两组分的分子间的相互吸引力显著提高；
    (2)芳纶纤维表面按照文献[1]方式引入环氧基团后，芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料界面体系的总能量显著减小，这表明界面体系的结构稳定性显著提高。
    上述两方面因素正是文献[1]的工艺实验所观察到的，芳纶纤维表面经适当化学处理后芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料界面增强的本质的微观机理。
                    参考文献
[1] 张爱波,雷渭媛,张守阳.短芳纶纤维增强聚苯硫醚复合材料的性能研究[J].纤维复合材料,1999,(02):10-13.
[2] 王艺峰,程时远等.高分子材料模拟中的分子力学法和力场[J].高分子材料科学与工程,2003,(O1):10-14.
[3] 杨小震.分子模拟与高分子材料[M].北京:科学出版社,2000.
[4] 王瑾玲,孙命,缪方明.计算机化学模拟-分子构象识别的新方法[J].结构化学,2000,(04):281-287.
[5] Burkert U.，Allinger N. L.. Molecular Mechanics[M].Amer.Chem.Soc.,1982.
[6] SYBYL. Molecular Modelling Software[M].Tutorial Manual,1995．
[7] Lii J. H.，Allinger N. L.. Molecular Mechanics[J]. J. Am. Chem.Sci.,1989,(111):8551-8576.
[8] A llinger N. L.，Li F.，Yan L.，Molecular Mechanics[J].J. Compt.Chem.,1990,(11):848-868．
[9] Lii J. H.，Allinger N. L.. Directional Hydrogen Bonding in the MM3 Force Field I[J].J. Phys. Org. Chem.,1994,(7):591．
[10] Lii J. H.，Allinger N. L.. Directional Hydrogen Bonding in the MM3 Force Field II[J].J. Compt. Chem.,1998,(19):1001．