分子模拟研究小分子气体在常用包装聚合膜中的扩散行为

摘要

本文通过分子动力学法和巨正则蒙特卡洛法相结合的方法，利用Materials Studio软件对氧气和水分子在几种常用包装聚合膜中的扩散进行了分子模拟。
　　 首先基于COMPASS力场进行建模。为了使模拟体系接近真实体系，模型的构建采用三维周期性边界条件，选取能量最低、体系最稳定的周期边界作为初始构型。然后对聚合物模拟体系进行能量优化和退火处理，使得体系达到平衡状态。利用MS软件中的吸附模块根据巨正则蒙特卡洛法吸附一定数量的气体分子，形成聚合物和气体的混合体系。对混合体系进行多次NVT系综和NPT系综的MD模拟后，直至混合体系达到平衡状态，最后进行NVE系综的分子动力学模拟以便得到气体在聚合物内的扩散过程和运动轨迹，分析气体分子在聚合物内的均方位移曲线，根据Einstein方程得到氧气和水分子在聚合膜中的扩散系数。结果发现：
　　 (1)利用分子动力学模拟计算小分子气体在包装聚合膜中的扩散系数是可行的。氧气和水分子在聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯中的扩散系数随着温度的升高而增大，随着聚合度的增大而减小。
　　 (2)研究了压强对氧气和水分子在聚合膜中扩散的影响，发现压强对气体在不同聚合膜中的扩散影响不同。
　　 (3)氧气在聚乙烯中的扩散系数受湿度的影响显著，相对湿度100％时的扩散系数比相对湿度0％时的扩散系数大得多。
　　 (4)探讨了氧气和氮气的混合气体在聚乙烯中的扩散，发现氧气在聚乙烯中的扩散系数因氮气的存在而增大。
　　 (5)经过计算发现，在聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯中，聚氯乙烯的阻氧阻湿性能最好，聚苯乙烯次之，聚乙烯最差，这与实际规律相符，为包装薄膜的选取提供了参考。
　　 总之，利用模拟软件对气体在聚合膜中的扩散过程进行分析计算是可行的，节省了实验开支，同时为新薄膜的研制提供了新的途径。