1、高分子樹脂對水的阻隔性能研究,余勇 指導(dǎo)老師:王孟 化學(xué)化工學(xué)院 高分子材料與工程專業(yè)071班,大 綱,一.前言 二.實驗部分 三.結(jié)果與討論 四.結(jié)論,一. 前言,1.聚合物對水的阻隔性能表征 2.實驗法測定的介紹 3. 分子動力學(xué)模擬法的介紹 4.分子模擬中擴散系數(shù)的測定方法 5.影響小分子物質(zhì)在聚合物中擴散系數(shù)的因素 6. 課題提出,1.聚合物對水的阻隔性能表征,聚合物與水的相互作用的宏觀表現(xiàn)： 1、阻水聚合物 2、吸水聚合物 對水的阻隔性或者吸附性的強弱主要是通過水的透過量，水的吸附量或者水的擴散程度來衡量。 水的阻隔性-擴散系數(shù)D（水在聚合物中的擴散） 本質(zhì)：水在聚合物中的運動（吸附

2、，擴散）實際上是一種傳質(zhì)現(xiàn)象，它服從fick第二定律。,沒有明確的界限,2. 實驗法測定的介紹（物理變化量）,本體平衡法 測定聚合物重量與時間的曲線，利用數(shù)學(xué)分析方法計算擴散系數(shù) 脈沖梯度場核磁共振法 某原子在兩個脈沖時間間隔內(nèi)在磁場中的回聲振幅衰減而獲得聚合物體系中溶劑自擴散系數(shù) 激光全息技術(shù) 利用光的干涉原理將物體光波完全精確記錄，并能使之再現(xiàn)還原的二次成像技術(shù),3. 分子動力學(xué)模擬法的介紹 量子化學(xué)法 分子動力學(xué)法 分子力學(xué)法 4.分子模擬中擴散系數(shù)的測定方法 Einstein法 微分一區(qū)限變分法 聚類分析法,5.影響小分子物質(zhì)（水）在聚合物中擴散系數(shù)的因素,溫度的影響 WHJiang和

3、姜珍等報道了溫度對擴散系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)溫度越高擴散系數(shù)越 大，這是由于溫度的升高加劇了分子運動。 小分子物質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響 WHJiang和姜珍考察了小分子物質(zhì)的尺寸對擴散系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)擴散物質(zhì)分子尺寸越大，擴散阻力也就越大，相應(yīng)地擴散系數(shù)就越小。 聚合物結(jié)構(gòu)和物理形態(tài)的影響 聚合物的結(jié)晶度越大，小分子物質(zhì)在其中的擴散系數(shù)就會越小。聚合物的結(jié)構(gòu)形態(tài)對小分子物質(zhì)在其中的擴散也有很大的影響，如在極性聚合物中極性分子的擴散要比非極性分子的擴散容易，而在非極性聚合物中極性分子的擴散要比非極性分子的擴散難。,6. 課題提出,實驗法去測定小分子物質(zhì)在聚合物體系中的擴散系數(shù)有很多困難跟不足。 1.耗時長 2.

4、誤差大3.操作條件苛刻4.設(shè)備費用高 分子模擬法提供了材料的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的細(xì)節(jié) 1.時間短2.精確度高3. 操作方便4.適用范圍廣 本實驗就通過分子動力學(xué)（MD）模擬水分子在聚乙烯醇和在聚酰胺（尼龍6）中的擴散行為，根據(jù)軟件的動力學(xué)分析來得到水分子在聚合物中擴散的均方位移MSD，由得到的均方位移與時間的關(guān)系作圖，來得到水分子的擴散系數(shù)D。,二、實驗部分,1、實驗原理(擴散定律) 2、實驗步驟 圖2.1實驗?zāi)M工藝圖,1、實驗原理,擴散定律（fick第二定律）： 單位體積內(nèi)粒子濃度隨時間的變化： 考慮擴散系數(shù)受濃度的影響： 擴散系數(shù)與均方位移的關(guān)系： 擴散系數(shù)與均方位移的微分有關(guān)： 模擬得到MS

5、D對時間的圖，a代表MSD曲線的斜率，所以,2、實驗步驟,1.建立初始結(jié)構(gòu) 2.建立無定形晶胞 3.進行晶胞的馳豫 4.分子動力學(xué)的運行和分析 5.輸出數(shù)據(jù)并計算擴散系數(shù)D,組成,調(diào)節(jié),計算,運行,建立初始結(jié)構(gòu) a b c 圖2.2 建立的初始結(jié)構(gòu)，a-水分子，b-尼龍6，c-聚乙烯醇 優(yōu)化結(jié)構(gòu) a b 圖2.3優(yōu)化的結(jié)構(gòu)圖，a-尼龍6，b-聚乙烯醇,建立無定形晶胞 a b 圖2.4聚合物的晶胞圖，a-尼龍6的晶胞，b-聚乙烯醇晶胞 晶胞的馳豫 當(dāng)一個無規(guī)則晶胞生成時，分子可能不是等價地分布在晶胞中，這樣就造成了真空區(qū)。為了矯正這個，要進行能量最小化來優(yōu)化晶胞。最小化過后，要進行分子動力學(xué)模擬

6、來平衡晶胞。 分子動力學(xué)的運行和分析 分析水分子在晶胞中的移動情形，得到水分子在均方位移MSD.,輸出數(shù)據(jù)并計算擴散系數(shù) 293.15K 303.15K 323.15K 圖2.6不同溫度下水分子在聚乙烯醇中均方位移隨時間的變化,293.15K 303.15K 323.15K 圖2.7 不同溫度下水分子在尼龍6中均方位移隨時間的變化,三、結(jié)果與討論,1、實驗結(jié)果與分析 2、活化能的計算 298K時： 水在聚乙烯醇中：D=a/6=2.61 (10-8cm2/s) 水在尼龍6中： D=a/6=0.08 (10-8cm2/s) 323K時： 水在聚乙烯醇中：D=a/6=2.92 (10-8cm2/s)

7、 水在尼龍6中： D=a/6=0.18 (10-8cm2/s) 373K時： 水在聚乙烯醇中：D=a/6=3.11 (10-8cm2/s) 水在尼龍6中： D=a/6=0.66 (10-8cm2/s),3.1實驗結(jié)果與分析,水在不同溫度下在兩種聚合物中的擴散系數(shù)： 表中數(shù)據(jù)我們通過圖形來對比分析：,3.2活化能的計算,擴散系數(shù)與溫度的關(guān)系符合Arrhenius方程： D=D0exp（-Ed/RT）或lnD=lnD0- Ed/RT 以lnD對1/T作圖，由斜率可求出活化能Ed。 a b 圖3.2聚合物中l(wèi)nD與T的關(guān)系，a-聚乙烯醇，b-尼龍6,四、結(jié)論,1.溫度越高擴散越快。 隨著溫度的升高，水在聚乙烯醇中和尼龍6中的擴散系數(shù)都增加。 2.極性越大水的擴散越快。水是極性分子，聚乙烯醇中含有親水基團，極性大，水在其中的擴散要快一些。 3. 活化能越大則擴散受溫度的影響越敏感。水在PVA中的擴散活化能為9.974kJ/mol，水在尼龍6中的擴散活化能為26.059 kJ/mol，表明隨著溫度的增加，水在尼龍6中的擴散的變化要大一些。,謝謝,本論文是在王孟老師的悉心指導(dǎo)下進行的，在論文的完成過程中，從論文的選題到實驗的完成，以及論文寫作都給予了大量的指導(dǎo)。尤其是在實驗過程中，由于實驗采用了新的模擬軟件，同學(xué)都不熟