小分子物质在PVDC包装膜中扩散行为模拟研究

摘要

本文基于经典力学的分子动力学模拟及费克第二定律扩散模型，应用MS软件分析氧气分子在PVDC聚合膜中的扩散行为。采用三维周期边界条件建立模型晶胞，聚合物晶胞与气体混合体系经过多次的NVT系综和NPT系综优化和退火达到平衡状态，经过NVE系综的动力学模拟，得到氧气在晶胞中运动的均方位移曲线，研究了环境温度、聚合度、薄膜成分、渗透分子及承载体高分子的化学结构等因素对PVDC薄膜透气性能的影响，揭示塑料薄膜透气性的变化规律。研究结果表明:
　　(1)随着环境温度的升高，聚合物分子链及扩散质热运动加剧，空穴体形成时间缩短，氧气分子跃迁频率增加，最终导致氧气分子的扩散系数增大。
　　(2)氧气在低聚合度的聚合物中的扩散系数大于在高聚合度的聚合物中的扩散系数，相比而言，高聚物更具有优越的阻隔性。
　　(3)应用MS软件建立PVDC晶胞模型:通过构建不同的可工业化的聚合体VDC-VC模型、聚合体VDC-AN模型及聚合体VDC-MA模型，模拟扩散质氧气分子在晶胞中的扩散系数，然后与纯VDC晶胞模型的扩散系数对比。为量化生产提供参照，针对不同的要求选择不同的聚合体PVDC材料。
　　(4)当扩散质中氮气含量是氧气含量4倍的条件下，模拟混合扩散质在晶胞中的扩散行为，得到氧气的均方位移曲线，并与纯氧扩散质条件下对比。发现氮气的存在大大提高了氧气的透过率，氧气分子跳跃频率加快，扩散系数增大。
　　(5)模拟中采用Connolly表面计算法得到晶胞中自由体积空穴，发现扩散质的跃迁行为发生在这些连通的空穴体间，这与实际扩散理论的自由体积理论相符合。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究工作

2 扩散传质理论基础

2．1 塑料食品包装系统传质

2．2 扩散理论-自由体积理论

2．3 扩散迁移动力学过程

2．4 扩散迁移过程的数学模型

2．5 扩散系数

2．6 影响因素

3 分子动力学模拟理论

3．1 分子动力学原理

3．2 分子模拟理论基础

3．2．1 量子力学(QM)法

3．2．2 分子力学(MM)法

3．2．3 分子动力学(MD)法

3．2．4 蒙特卡洛(MC)法

3．3 分子模拟软件MS简介

3．4 模拟技术细节

3．4．1 分子力场

3．4．2 周期边界条件

3．4．3 非键截断距离与模拟步长

3．4．4 统计力学系综

4 PVDC薄膜性质及膜结构模型

4．1 PVDC薄膜性质

4．2 PVDC膜结构模型

5 氧气在PVDC薄膜中的扩散行为

5．1 模拟流程图

5．2 模拟过程参数设定

5．3 模拟方法与过程

5．4 结果及讨论

5．4．1 温度对扩散系数的影响

5．4．2 聚合度对氧气扩散系数的影响

5．4．3 氮气的存在对氧气扩散系数的影响

6 小分子在不同聚合成分PVDC薄膜中扩散分析

6．1 构建不同聚合成分的PVDC模型

6．2 结果与讨论

7 总结及展望

7．1 主要工作总结

7．2 创新点与展望

7．2．1 创新点

7．2．2 展望

致谢

参考文献