包装用薄膜气体渗透的计算机模拟

摘要

本文采用分子动力学模拟的方法，研究了氧气和水蒸气在包装用塑料薄膜中的扩散和渗透性能。探讨了温度、压力对扩散系数的影响规律，以及氧气、水蒸气在不同包装薄膜中的吸附及扩散系数。
　　 模拟过程中均采用与实际情况较为接近的COMPASS力场，并根据不同聚合物的物理化学性质选择不同的模拟参数。首先使用Amorphous Cell模块对将要研究的包装薄膜材料进行建模。然后对已造型的共聚物体系进行多次分子动力学优化和退火处理，并将优化后的密度与实际值比较使其更接近真实体系。再由Sorption模块模拟吸附，并计算出小分子的吸附个数。随后在不同的条件下进行NPT、NVE系统动力学优化，用NVE模拟出小分子的扩散过程及轨迹，最后由Einstein方程计算出小分子在共聚物中的扩散系数。将模拟数据与通过透氧、透湿检测设备得到的真实扩散系数进行对比。结果表明：
　　 (1)利用分子动力学模拟的方法对氧气和水蒸气在包装塑料薄膜中的吸附和扩散进行模拟，计算得到的薄膜密度、扩散系数和实验值比较接近。说明在模拟过程中参数选择合理，用模拟的方法计算扩散系数是可行的。
　　 (2)通过定量研究在不同温度下氧气在聚乙烯薄膜中的扩散系数，说明随着温度的升高，氧气的吸附量减少，氧气在聚乙烯薄膜中的扩散系数增大。随着压强的增加，氧气的吸附量增大，氧气在聚乙烯薄膜中的扩散系数增大。
　　 (3)研究了氧气在不同包装薄膜材料中的扩散系数，探讨了各种包装薄膜材料的应用规律。
　　 (4)通过模拟计算各层膜的扩散系数得到总的扩散系数，表明复合膜的扩散系数与温度基本成线性关系，研究了复合膜的各层对阻隔性的贡献。
　　 通过以上分析说明了分子动力学模拟的方法计算包装塑料薄膜的扩散系数是有效的，并为包装薄膜的选取、制备、阻隔性检测等方面提供了一种有效途径。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景及现状

1.3 本文的研究目的和意义

第二章 气体分子在聚合物中的扩散行为

2.1 扩散现象

2.2 影响扩散的因素

2.2.1 材料自身的影响

2.2.2 外部因素的影响

2.3 气体分子在聚合物中扩散的微观过程

第三章 计算机模拟气体扩散的条件及过程

3.1 分子模拟技术

3.1.1 分子模拟技术

3.1.2 分子模拟的种类及方法

3.1.3 分子模拟技术软件简介

3.2 分子模拟条件的选择

3.2.1 力场的选取

3.2.2 周期边界条件

3.2.3 模拟的系综

3.3 分子模拟过程

3.3.1 薄膜模型的建立及优化过程

3.3.2 吸附过程模拟

3.3.3 扩散过程模拟

第四章 气体渗透的计算机模拟

4.1 温度对PE膜扩散系数的影响

4.2 压强对PE膜扩散系数的影响

4.3 氧气、水蒸气在不同材料中的扩散系数

4.3.1 氧气在不同材料中的扩散

4.3.2 水蒸气在不同材料中的扩散

4.4 氧气在复合膜中的扩散

4.4.1 高阻隔性复合膜

4.4.2 复合膜的扩散渗透系数

4.4.3 气体在复合膜中扩散计算机模拟

第五章 透氧、透湿实验

5.1 引言

5.2 透氧实验

5.2.1 压差法

5.2.2 等压法

5.2.3 透氧实验结果及对比

5.3 透湿实验

第六章 结论

参考文献

致谢

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