分子模拟论文

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1、 高分子树脂高分子树脂对水的阻隔性能研究对水的阻隔性能研究余勇余勇 指导老师指导老师:王孟王孟化学化工学院化学化工学院高分子材料与工程专业高分子材料与工程专业071班班大 纲一一. .前言前言二二. .实验部分实验部分三三. .结果与讨论结果与讨论四四. .结论结论一一. 前言前言1.聚合物对水的阻隔性能表征2.实验法测定的介绍3. 分子动力学模拟法的介绍 4.分子模拟中扩散系数的测定方法5.影响小分子物质在聚合物中扩散系数的因素6. 课题提出1.聚合物对水的阻隔性能表征聚合物与水的相互作用的宏观表现： 1、阻水聚合物 2、吸水聚合物对水的阻隔性或者吸附性的强弱主要是通过水的透过量，水的吸附量

2、或者水的扩散程度来衡量。 水的阻隔性-扩散系数D（水在聚合物中的扩散）本质：水在聚合物中的运动（吸附，扩散）实际上是一种传质现象，它服从fick第二定律。没有明确的界限2. 实验法测定的介绍（物理变化量）本体平衡法 测定聚合物重量与时间的曲线，利用数学分析方法计算扩散系数脉冲梯度场核磁共振法 某原子在两个脉冲时间间隔内在磁场中的回声振幅衰减而获得聚合物体系中溶剂自扩散系数激光全息技术 利用光的干涉原理将物体光波完全精确记录，并能使之再现还原的二次成像技术3. 分子动力学模拟法的介绍量子化学法分子动力学法分子力学法4.分子模拟中扩散系数的测定方法 Einstein法微分一区限变分法聚类分析法5.

3、影响小分子物质（水）在聚合物中扩散系数的因素温度的影响 WHJiang和姜珍等报道了温度对扩散系数的影响，发现温度越高扩散系数越 大，这是由于温度的升高加剧了分子运动。小分子物质结构的影响 WHJiang和姜珍考察了小分子物质的尺寸对扩散系数的影响，发现扩散物质分子尺寸越大，扩散阻力也就越大，相应地扩散系数就越小。聚合物结构和物理形态的影响 聚合物的结晶度越大，小分子物质在其中的扩散系数就会越小。聚合物的结构形态对小分子物质在其中的扩散也有很大的影响，如在极性聚合物中极性分子的扩散要比非极性分子的扩散容易，而在非极性聚合物中极性分子的扩散要比非极性分子的扩散难。6. 课题提出实验法去测定小分子

4、物质在聚合物体系中的扩散系数有很多困难跟不足。1.耗时长 2.误差大3.操作条件苛刻4.设备费用高分子模拟法提供了材料的结构和动力学的细节1.时间短2.精确度高3. 操作方便4.适用范围广本实验就通过分子动力学（MD）模拟水分子在聚乙烯醇和在聚酰胺（尼龙6）中的扩散行为，根据软件的动力学分析来得到水分子在聚合物中扩散的均方位移MSD，由得到的均方位移与时间的关系作图，来得到水分子的扩散系数D。二、实验部分 1、实验原理(扩散定律) 2、实验步骤 图2.1实验模拟工艺图1、实验原理扩散定律（fick第二定律）： 单位体积内粒子浓度随时间的变化： 考虑扩散系数受浓度的影响： 扩散系数与均方位移的关

5、系： 扩散系数与均方位移的微分有关： 模拟得到MSD对时间的图，a代表MSD曲线的斜率，所以2、实验步骤1.建立初始结构2.建立无定形晶胞3.进行晶胞的驰豫4.分子动力学的运行和分析5.输出数据并计算扩散系数D组成调节计算运行建立初始结构 a b c 图2.2 建立的初始结构，a-水分子，b-尼龙6，c-聚乙烯醇优化结构 a ba b 图2.3优化的结构图，a-尼龙6，b-聚乙烯醇建立无定形晶胞 a b 图2.4聚合物的晶胞图，a-尼龙6的晶胞，b-聚乙烯醇晶胞晶胞的驰豫 当一个无规则晶胞生成时，分子可能不是等价地分布在晶胞中，这样就造成了真空区。为了矫正这个，要进行能量最小化来优化晶胞。最小

6、化过后，要进行分子动力学模拟来平衡晶胞。分子动力学的运行和分析 分析水分子在晶胞中的移动情形，得到水分子在均方位移MSD.输出数据并计算扩散系数293.15K 303.15K 323.15K图2.6不同温度下水分子在聚乙烯醇中均方位移随时间的变化 293.15K 303.15K 323.15K图2.7 不同温度下水分子在尼龙6中均方位移随时间的变化三、结果与讨论1、实验结果与分析2、活化能的计算 298K时： 水在聚乙烯醇中：D=a/6=2.61 (10-8cm2/s) 水在尼龙6中： D=a/6=0.08 (10-8cm2/s) 323K时： 水在聚乙烯醇中：D=a/6=2.92 (10-8

7、cm2/s) 水在尼龙6中： D=a/6=0.18 (10-8cm2/s) 373K时： 水在聚乙烯醇中：D=a/6=3.11 (10-8cm2/s) 水在尼龙6中： D=a/6=0.66 (10-8cm2/s) 3.1实验结果与分析 水在不同温度下在两种聚合物中的扩散系数： 表中数据我们通过图形来对比分析：温度T水在聚乙烯醇中的扩散系数D(10-8cm2/s)水在尼龙6中的扩散系数D(10-8cm2/s)293.15K2.610.08303.15K2.920.18323.15K3.110.663.2活化能的计算扩散系数与温度的关系符合Arrhenius方程： D=D0exp（-Ed/RT）或

8、lnD=lnD0- Ed/RT以lnD对1/T作图，由斜率可求出活化能Ed。 a b 图3.2聚合物中lnD与T的关系，a-聚乙烯醇，b-尼龙6四、结论1.温度越高扩散越快。 随着温度的升高，水在聚乙烯醇中和尼龙6中的扩散系数都增加。2.极性越大水的扩散越快。水是极性分子，聚乙烯醇中含有亲水基团，极性大，水在其中的扩散要快一些。3. 活化能越大则扩散受温度的影响越敏感。水在PVA中的扩散活化能为9.974kJ/mol，水在尼龙6中的扩散活化能为26.059 kJ/mol，表明随着温度的增加，水在尼龙6中的扩散的变化要大一些。 本论文是在王孟老师的悉心指导下进行的，在论文的完成过程中，从论文的选题到实验的完成，以及论文写作都给予了大量的指导。尤其是在实验过程中，由于实验采用了新的模拟软件，同学都不熟悉，王老师给了悉心的指导。不论是在操作程序上还是理论方面王老师给了大量的帮助，让我逐步了解了实验。论文完成过程中，班上的很多同学都给了我很大的帮助，是各位老师和同学的大力支持和无私帮助使我的这篇论文能够顺利地完成。特在此一并向他们表示诚挚的感谢。