بررسی نقش رادیکال‌های آلیلی و آکریلی در پلیمرشدن نوری فورفوریل آکریلات با استفاده از روش مونت کارلو

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی پلیمر و رنگ، صندوق پستی ۴۴۱۳-۱۵۸۷۵

10.22063/jipst.2026.35802.2435

چکیده

فرضیه: سینتیک پیچیده پلیمرشدن نوری فورفوریل آکریلات با برهم‌کنش‌های رقابتی بین دو مرکز فعال متمایز آن، یعنی گروه وینیلی آکریلی و حلقه فوران، کنترل می‌شود. تشکیل رادیکال‌های آلیلی پایدار از حلقه فوران به تجمع قابل توجه آن‌ها در سامانه منجر شده که این موضوع موجب انحراف بنیادی از سینتیک کلاسیک پلیمرشدن رادیکال آزاد می‌شود.
روش‌ها: روش مونت کارلو برای اولین بار برای شبیه‌سازی سینتیک پلیمرشدن نوری فورفوریل آکریلات در مقیاس مولکولی استفاده شد. شبیه‌سازی در شدت‌های مختلف نور تابشی در سامانه متشکل از 1011 مولکول فورفوریل آکریلات انجام و سازوکاری شامل ۱۱ مسیر واکنشی مجزا را دربرگرفت. از برنامه‌نویسی در C++، با بهره‌گیری از یک مولد اعداد تصادفی Mersenne Twister برای انتخاب تصادفی واکنش‌ها و گام‌های زمانی، به‌منظور ردیابی روند تغییرات غلظت اجزای مختلف و احتمالات واکنش طی زمان استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج شبیه‌سازی مطابقت خوبی با داده‌های تجربی نشان داد که دقت رویکرد شبیه‌سازی را تأیید می‌کند. یکی از یافته‌های این مطالعه، شناسایی نقش محوری رادیکال‌های آلیلی پایدار و تجمع تدریجی آن در سامانه بود که به غلظتی به مراتب بیشتر از رادیکال‌های آکریلی رسیدند که به انحراف از سینتیک کلاسیک پلیمرشدن منجر شد. انتقال زنجیر مخرب بین‌مولکولی به عنوان مؤثرترین واکنش جانبی با احتمالی در محدوده %۳۹–۳۰ شناسایی شد که به‌عنوان عامل اصلی کاهش قابل توجه وزن مولکولی و سرعت پلیمرشدن عمل می‌کند. نسبت ثابت سرعت انتقال مخرب بین‌مولکولی به ثابت سرعت رشد در دماهای مختلف نقش مهمی در کنترل ساختار نهایی ایفا می‌کند. این پژوهش نه تنها درک بنیادی عمیقی از سازوکار پلیمرشدن مونومرهای فورانی ارائه می‌دهد، بلکه چارچوب محاسباتی قدرتمند برای بهینه‌سازی سنتز پلیمرهای بر پایه فورفوریل اکریلات برای کاربردهای پیشرفته در حوزه‌هایی مانند زیست‌مواد فراهم می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

A Kinetic Monte Carlo Simulation for Investigating the Role of Allylic and Acrylic Radicals in Furfuryl Acrylate Photopolymerization

نویسندگان [English]

  • Mehdi Zolfi Zinab
  • Negin Bayati
  • Alireza Mahjub
Department of Polymer and Color Engineering, Amirkabir University of Technology
چکیده [English]

Hypothesis
The complex photopolymerization kinetics of furfuryl acrylate are governed by the competitive interactions between its two distinct reactive site, the acrylic vinyl group and the furan ring. The formation of stable allylic radicals from the furan ring leads to their significant accumulation within the system, causing a fundamental deviation from classical free-radical polymerization kinetics.
Methods
A Kinetic Monte Carlo simulation was developed for the first time to simulate the photopolymerization of furfuryl acrylate at a molecular scale. The simulation was initialized with a system of 10¹¹ furfuryl acrylate molecules and incorporated a mechanism of 11 distinct reaction pathways. A custom C++ code, employing a Mersenne Twister random number generator for stochastic selection of reactions and time steps, was used to track the evolution of species concentrations, monomer conversion, and reaction probabilities over time.
Findings
The simulation results show excellent agreement with experimental data, confirming the accuracy of the simulation approach. One of the findings of this study was the identification of the pivotal role of stable allylic radicals and their gradual accumulation within the system. These radical species attained concentrations substantially exceeding those of acrylic radicals, thereby resulting in a deviation from classical polymerization kinetics. The intermolecular degradative chain transfer was identified as the most influential side reaction with a 30–39% probability, serving as the primary factor for the significant reduction in both molecular weight and polymerization rate. The ratio of the rate constant for intermolecular degradative chain transfer to propagation plays a significant role in controlling the final structure at different temperatures. This research not only provides a deep fundamental understanding of the polymerization mechanism of furanic monomers but also offers a computational framework for optimizing the synthesis of furfuryl acrylate-based polymers for advanced applications in areas such as biomaterials.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Furfuryl Acrylate
  • Photopolymerization
  • Monte Carlo simulation
  • Reaction kinetics
  • Degradative chain transfer