小分子在聚对二甲苯系列聚合物中渗透行为的数值模拟

摘要

Parylene聚合物是一类低介电常数、半结晶性的高分子材料，具有优良的气体阻隔性能，在半导体、集成电路、微电子系统、传感器、医用仪器、文物保护等领域得到广泛应用。研究者十分关注气体小分子（特别是水分子）在Parylene聚合物中的扩散迁移行为和机制。实验上可以获得气体分子在聚合物中的溶解度、扩散和渗透系数等综合的宏观性能参数，而很难获得气体分子在其中的微观扩散行为的详细信息，所以对扩散、渗透机制也很难掌握。随着计算机技术和聚合物理论模型构建方法的不断发展，数值模拟技术成为研究这一课题的一种非常有效的手段。
　　本文基于COMPASS力场，利用Material Studio(MS)软件，通过分子动力学(MD)和巨正则蒙特卡洛方法(GCMC)相结合的方法，对渗透剂分子在Parylene聚合物中的溶解、扩散和渗透行为进行了数值模拟计算。首先利用分子动力学方法，构建了具有一定聚合度的无定型PC聚合物模型，经过能量优化和“退火”处理，获得了具有一定有序结构的聚合物模型。当聚合度达300，并经5个循环以上的退火处理的PC聚合物模型的密度与玻璃化转变温度的模拟值与实际聚合物膜的实验数据接近，说明此模型可以很好地代表实际聚合物结构。
　　计算了链长（聚合度）、温度等因素对聚合物内的自由体积以及气体分子在其中的溶解度、扩散和渗透系数的影响。结果显示，随着温度升高和聚合度减小，聚合物模型中的自由体积增大，但总体上，Parylene聚合物中的自由体积仍然很小，不易形成分子渗透的有效通道，这是其具有高气体阻隔性能的重要原因。在50～500范围内，随着链长的增加，渗透剂分子在PC聚合物中的扩散系数降低、溶解系数增大;温度升高（278～358K范围内），渗透剂分子在PC聚合物中的扩散系数增加，温度对溶解系数和渗透系数影响不大;体系中加入的小分子个数，对最终得到的扩散系数值没有显著的影响，但体系中加入小分子数不宜过多。
　　计算获得了不同气体分子在PC聚合物中的扩散系数、溶解系数和渗透系数。结果表明，分子越大，溶解系数越大、扩散系数和渗透系数越低;与其它几种分子相比，H2O分子更易被PC聚合物吸附溶解。
　　参考对PC聚合物的计算结果，选用合适的链长和优化程度（链长为300，5个退火优化循环），构建了PN、PD聚合物的模型。通过对比小分子在PC、PN和PD的渗透系数模拟值，发现PC、PN和PD对较小分子(He、H2、O2、N2)的阻隔能力相差不大，而PC对较大分子(H2O、H2S、Cl2、SO2)的阻隔性优于PN和PD。
　　同样地，预测了渗透剂分子在Parylene AF4、Parylene AF8聚合物中的扩散、溶解和渗透性能。结果显示，在对H2O，H2S，Cl2，SO2等体积较大的分子的阻隔性能上，Parylene AF4和Parylene AF8聚合物比PC更具有优势。
　　通过分析气体分子在聚合物模型中扩散、迁移的运动轨迹，表明Parylene聚合物的结晶区以典型的球晶形式存在，小分子沿聚合物的球晶表面在无定型区扩散、迁移，符合“跳跃扩散”机制。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．2 小分子在聚合物中扩散行为

1．2．1 扩散现象及Fick定律

1．2．2 气体渗透的微观过程

1．2．3 研究现状

1．3 本文研究目的及内容

2 数值计算方法和数据处理方法

2．1 数值模拟理论基础

2．1．1 量子力学方法

2．1．2 分子力学方法

2．2．3 分子动力学方法

2．2．4 蒙特卡洛方法

2．2 模拟软件简介

2．3 模拟参数的设定

2．3．1 模拟系综

2．3．2 分子力场

2．3．3 周期性边界条件

2．3．4 非键截断半径及积分步长

2．4 主要物性参数的计算方法

2．4．1 玻璃化转变温度

2．4．2 扩散系数、溶解度系数及渗透系数

2．4．3 自由体积

2．4．4 扩散位移及轨迹

3 气体分子在PC中的渗透行为

3．1 模型及模拟方法

3．1．1 模型的构建与选择

3．1．2 模型的选取与验证

3．2 结果与讨论

3．2．1 自由体积

3．2．2 扩散系数

3．2．3 溶解系数及渗透系数

3．2．4 扩散机制

3．3 本章小结

4 气体分子在PN和PD中的渗透行为

4．1 PN、PD模型的构建

4．1．1 模型的构建

4．1．2 模型的验证

4．2 结果与讨论

4．2．1 自由体积

4．2．2 扩散系数

4．2．3 溶解系数与渗透系数

4．2．4 扩散机制

4．3 本章小结

5 气体分子在Parylene AF4和Parylene AF8中的渗透行为

5．1 Parylene AF4和ParyleneAF8模型的构建

5．2 结果与讨论

5．2．1 自由体积

5．2．2 扩散系数

5．2．3 溶解系数和渗透系数

5．2．4 扩散机制

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果