有机分子在聚乙烯膜中溶解扩散过程的分子模拟

摘要

随着量子力学、分子力学等理论学科的迅速发展，分子模拟技术在当前诸多领域的科学研究中已被广为采用，并发挥着越来越重要的作用。聚乙烯(PE)是由乙烯单体聚合而成的高分子聚合物，是合成树脂中应用最广泛的品种，可广泛用于食品包装、工业品包装、化学品包装、农用膜和建筑用膜等。运用分子模拟手段研究有机分子在聚乙烯膜中的溶解扩散过程，可以在分子层面上模拟分子的结构和行为，从微观角度了解溶解扩散的机理。
　　 本文采用分子模拟的方法，利用Materials Studio软件对苯、甲苯、乙苯三种有机分子在聚乙烯膜中的溶解扩散过程进行了模拟，得到了有机分子在聚乙烯膜内的扩散系数、溶解度系数，并研究了扩散系数及溶解度系数随温度、有机分子量大小的变化情况，获得了溶解扩散的机理。
　　 1.模拟方法的研究
　　 (1)用分子动力学法模拟研究体系中有机分子的扩散系数，采用聚类分析方法分析均方位移曲线数据。用蒙特卡洛法模拟研究体系中有机分子的溶解度系数，采用极限法分析吸附等温线数据。
　　 (2)考察分析了聚合物的聚合度和扩散分子的数目对扩散系数产生的影响。综合考察扩散系数的变化、计算软件的要求及计算机的计算能力，最终确定聚乙烯的聚合度为360，扩散分子的数目为10。
　　 2.有机分子在聚乙烯膜中扩散过程的模拟
　　 采用分子动力学模拟计算了苯、甲苯、乙苯三种有机分子在聚乙烯膜中的扩散系数，描述了有机分子在聚乙烯膜中的扩散过程。结果表明，在相同温度下，有机分子在聚乙烯膜中的扩散系数随着分子量的增加逐渐减小；对于同种有机分子，其在聚乙烯膜中的扩散系数随着温度的升高逐渐增大。获得了分子在膜内的扩散位移图，得到了分子运动的真实轨迹，轨迹结果显示有机小分子在聚乙烯膜内的扩散并不是连续扩散，而是跳跃式扩散的模式。
　　 3.有机分子在聚乙烯膜中溶解过程的模拟
　　 采用蒙特卡洛法模拟计算了苯、甲苯、乙苯三种有机分子在聚乙烯膜中的溶解度系数，建立了合理的模型，正确描述了有机分子在聚乙烯膜中的溶解过程。
　　 (1)获得了范德华作用能曲线、非键相互作用能分布曲线、分子在膜内的密度分布情况图和能量分布情况图。从范德华作用能曲线可以判断出体系在模拟设定的步数内已经到达平衡，模拟结果具有可靠性；从非键相互作用能分布曲线可以看出苯、甲苯、乙苯三种有机分子在聚乙烯膜中的能量状态相差不大；从密度分布情况图可以形象直观的看出三种分子在聚乙烯膜内集中吸附的区域；从能量分布情况图可以看出有机分子在聚乙烯膜中最容易吸附的位置。以上这些微观层面的认识可以对物理实验的不足进行补充。
　　 (2)模拟结果表明：在相同温度下，随着分子量的增加，有机分子在聚乙烯膜中的溶解度系数逐渐减小；对于同种有机分子，其在聚乙烯膜中的溶解度系数随着温度的升高可能逐渐减小。
　　 (3)对所得的苯、甲苯、乙苯的扩散系数及溶解度系数进行运算，结果表明：在相同温度下，苯、甲苯、乙苯三种有机分子的渗透系数的大小依次减小；不同温度下，同种有机分子的渗透系数随着温度的升高而减小。这与溶解度系数的变化趋势一致，说明在同种膜的渗透过程中，溶解过程是起决定性作用的，渗透系数的大小主要取决于有机分子对膜的溶解度系数的大小。