分子模拟法研究乙烯/1-己烯的气体渗透性及分子结构影响因素的分析

摘要

本研究采用分子动力学模拟(MD)和巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)模拟法研究了气体分子(氧分子和氢分子)在乙烯/1-己烯共聚物膜中的扩散和渗透性能。主要探讨了分子主链结构中共聚物单体的比例以及气体分子大小对扩散系数和自由体积的影响。模拟过程中均采用COMPSS力场，对共聚物模拟体系先进行NPT系综动力学优化，计算得到密度并与实验值进行对比，使模拟体系接近于真实体系；随后进行NVT模拟得到500ps时间下的小分子的运动轨迹，由Einstein方程计算出气体分子在烯烃共聚物中的扩散系数，同时与文献数据进行对比。结果表明，随着共聚物中1-己烯含量的增加，聚合物分子链间距增加，自由体积增大，导致氧分子和氢分子的扩散系数也呈增大的趋势，与共聚物中分子间相互作用力的变化分析一致。说明分子动力学模拟方法是一个有效计算、预测小分子在不同比例烯烃共聚物中扩散系数的方法。 本文还采用MD方法研究了聚二甲基硅氧烷的结构特性对于其不寻常的高渗透性的影响决定因素。结果表明，一个重要的因素是PDMS主链上的键角在110°和144°之间相互交替改变，使得PDMS链形成闭合多边形的低能量构型，有效的降低了链的密实堆积状态，从而增加了聚合物的自由体积；另一个重要的影响因素则是其相对较大的Si-O键长，它降低了分子链内的空间相互作用，从而增加了链的柔顺性和迁移率。本模拟研究为探讨小分子在共聚物中的气体渗透性提供了一种有效的方法，为共聚物膜材料的制备、合成等提供了一定的理论基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2研究现状

1.3小分子在聚合物中的扩散行为

1.3.1扩散系数

1.3.2扩散现象及Fick定律

1.3.3温度对扩散系数的影响

1.3.4气体渗透的微观过程

1.4高分子链结构对气体扩散行为的影响

1.4.1高分子的形态

1.4.2高分子主链结构及连接方式对气体扩散行为的影响

1.4.3取代基的影响

1.5计算机模拟技术

1.5.1计算机模拟技术的发展

1.5.2计算机模拟技术的种类

1.5.3分子动力学模拟方法

1.5.4分子力场

1.6论文选题的立论、目的和意义

第二章模拟参数和模型

2.1分子模拟软件

2.2应用的力场

2.2.1 COMPASS力场

2.2.2 DREIDING力场

2.3物性参数的计算

2.3.1扩散系数

2.3.2溶解系数和渗透系数

2.3.3自由体积

2.3.4径向分布函数

第三章分子动力学研究PDMS结构特性对气体扩散行为的影响

3.1 PE和PDMS的结构

3.2模拟方法

3.3 PE链的“杂化”

3.4结果与讨论

3.4.1改变键长和键角的的影响

3.4.2改变基团极性和大小的影响

3.5本章小结

第四章分子动力学研究小分子气体在乙烯/1-己烯共聚物膜中的扩散行为

4.1结构与模拟

4.1.1构造模型

4.1.2动力学模拟过程

4.1.3模型的有效性验证问题

4.2结果与讨论

4.2.1内聚能密度的计算值

4.2.2扩散系数的模拟与比较

4.2.3溶解系数的比较

4.2.4渗透系数的比较

4.2.5主链迁移率

4.2.6径向分布函数

4.2.7自由体积对扩散系数的影响

4.2.8其他影响因素的讨论

4.3扩散机理

4.4本章小结

第五章结论

展望

参考文献

致谢

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