Molecular Dynamics Simulation on Diffusion of Five Kinds of Chemical Additives in Polypropylene

Molecular dynamics (MD) simulation was used to investigate the diffusion behaviour of five additives [2,6‐di‐tert‐butyl‐4‐methylphenol (BHT), 2‐(2‐Hydroxy‐5‐methylphenyl)benzotriazole (UV‐P), 2,4‐Di‐tert‐butyl‐6‐(5‐chloro‐2H‐benzotriazol‐2‐yl) phenol(UV‐327), 2‐(2H‐benzotriazol‐2‐yl)‐4‐(1,1,3,3‐tetramethylbutyl) phenol (UV‐329) and 2‐hydroxy‐4‐(octyloxy)benzophenone (UV‐531)] in polypropylene (PP) at the temperature of 293, 313 and 343 K. The diffusion coefficients were determined through Einstein relation connecting the data of mean square displacement at different times. The simulated diffusion coefficients were compared with that predicted by Piringer model and by experiments to evaluate the accuracy of MD simulation technique for estimating the diffusion coefficients of chemical additives in PP. Results showed that the simulated values were generally within one order of magnitude of the corresponding experimental values. The activation energies of additives were calculated by plotting the logarithm of diffusion coefficients versus the reciprocal of temperature according to Arrhenius equation. The activation energies calculated from MD simulation were also more closely to experimental values. Subsequently, the diffusion mechanism of additives inside PP was tentatively explored by analysing the interaction energy between diffusion molecules and polymer, free volume, molecular weight, size and shape, and the mobility of polymer chain. The movements of the additives in PP cell models at different simulation time suggested that for a long time, the additive molecules vibrate rather than hopping until they find the equal or larger transport channel to diffuse. It is demonstrated that the MD simulation may be a useful approach for predicting the microstructure and the diffusion coefficient of chemical additive with large molecular size and complex structure in polypropylene. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

无定形 Si-B-C体系扩散行为分子动力学模拟

用分子动力学方法研究了不同温度下无定形Si—C、Si—B—C体系的扩散行为，分析掺杂B原子对体系热稳定性及高温抗蠕变性的影响．基于UFF力场，在300、773、1273、1773及2073K下，用分子动力学方法计算并比较了它们的MSD曲线及扩散系数，分析温度对原子自扩散的影响．无定形体系引入B原子后，原子自扩散系数降低；随温度升高，自扩散系数缓慢上升，接近2073K附近B原子的自扩散有明显加速趋势，说明体系能够在2073K以下不发生相分离，保持热稳定及良好的高温抗蠕变性．     

Al纳米晶在Fe表面熔化行为的分子动力学模拟

本文应用分子动力学(MD)方法,采用嵌入势模型,在Al纳米晶熔点以上、Fe熔点以下的温度范围内,对Al原子在Fe(001)、(110)和(111)面上的扩散现象进行了系统研究。结果发现,在模拟时间内Al原子的扩散主要发生在Al和Fe直接接触的第一原子层上,且大部分Al原子沿着Fe表面即x-y平面扩散,仅有极少数Al原子沿着z方向向下扩散。Al原子在不同Fe表面上的主要扩散通道并不相同:在Fe(001)面上Al原子沿[110]和[1-10]的扩散几率大致相同;在Fe(110)面上Al原子主要在Fe表面沿[001]方向扩散;在Fe(111)面上Al原子沿[1-10]、[1-01]和[01-1]的扩散几率大致相同。     

聚丙烯玻璃化转变温度的分子动力学模拟

对等规、间规、无规三种不同聚丙烯(PP)的玻璃化转变温度进行了分子动力学模拟。用分子动力学模拟来获得不同构型聚丙烯在不同温度下的特征体积,通过对模拟得到的体积-温度(V-T)作图,求得玻璃化转变温度,其模拟结果与实验值吻合得较好。同时分析了聚丙烯主链柔顺性、立构规整度和力场能量项对PP玻璃化转变温度的影响,模拟结果表明,二面角扭转能和非键能在玻璃化转变温度附近出现拐点,这是高分子出现玻璃化转变的主要根源。     

分子模拟预测小分子在高分子中扩散行为的研究进展

分子模拟可探究微小时间尺度内体系的动态行为,是研究高分子溶液中扩散现象的有效工具。介绍了用于计算化学和材料科学领域的计算软件,以及可用于高分子体系的分子力场。较为详细地综述了近年来用分子模拟技术研究小分子在聚硅氧烷类、聚酰亚胺类、聚烯烃类等高分子中扩散行为的进展,并指出其发展前景。     

聚合物中小分子扩散的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)方法,以研究低聚体在聚甲基丙烯酸甲酯中的扩散为例,通过分析高分子链长、低聚体含量、聚合度和温度对扩散系数的影响,揭示小分子在聚合物中扩散过程.通过比较扩散系数的模拟值与实验值,发现两者比值在4左右.为获得小分子在聚合物中的扩散系数提供了一种较好的方法.     

硅晶体中点缺陷结合过程的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法模拟了硅晶体中空位与间隙原子的结合过程.利用Stillinger-Waber三体经验势函数表征原子间的相互作用,采用Verlet积分算法,在VC＋＋环境下使用C＋＋语言编程,进行计算机模拟.结果表明,空位和间隙原子倾向于通过＜111＞方向结合,并且在运动过程中存在着势垒,势垒值为0.5～1.2eV.     

PP/PA11共混物相容性的介观动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了聚丙烯（PP）/尼龙11（PA11）共混物的相互作用参数,并将其转化为介观动力学MesoDyn模拟的输入参数。MesoDyn模拟研究了PP和PA11介观相分离行为,得到了共混物的介观形貌与动力学演变过程。结果表明,通过比较混合物的有序度参数的大小可以判断混合物的相容性,当PP/PA11为90...     

液态Pb-Cu合金结构与扩散性质的分子动力学模拟

通过分子动力学方法模拟液态Pb-Cu合金的熔体结构,得到液态合金的对相关函数曲线、配位数和相关半径,并用于分析合金熔体内部的结构。同时将NRTL方程与分子动力学方法结合,提出一种计算合金互扩散系数的新方法,使用该方法计算得到了Pb-Cu合金的自扩散与互扩散系数,并分析了熔体结构对合金扩散性质的影响。     

分子动力学模拟Gd原子在Cu低密勒表面的扩散过程

为了分析Gd吸附原子在Cu（001）、Cu（110）和Cu（111）表面的扩散机制，本文用分子动力学对该扩散过程进行模拟。模拟结果表明在Cu（001）和Cu（111）表面，Gd原子通过跳跃机制扩散；在Cu（110）表面，在[110]方向Gd原子通过跳跃机制扩散，而且多步跳跃频率很高，而在[001]方向则通过交换机制扩散。通过对扩散频率的拟合，发现在各种扩散机制都符合Arrhenius公式，从而确定了在Cu（001）和Cu（111）表面扩散势垒分别为0．19eV和0．013eV，在Cu（110）表面，沿[110]方向跳跃扩散势垒和沿[001]方向交换扩散势垒分别为0．097eV和0．33eV。     

聚酰亚胺玻璃化转变的动力学模拟

聚酰亚胺具有许多优异的性能,因此在工业中得到了广泛应用。目前对聚酰亚胺玻璃化转变的研究都局限于实验法,但由于实验条件的限制如高温、高压等,通过实验方法难以得到实验数据,影响人们对聚酰亚胺玻璃化转变的认识。利用Materials Studio v7.0对聚酰亚胺玻璃化转变进行模拟,计算出4种不同聚酰亚胺在不同温度下的密度,从而得到比体积与温度关系图,再根据Fox和Flory提出的自由体积理论得到聚酰亚胺的玻璃化转变温度。模拟计算出的玻璃化转变温度与实验值基本一致,表明可以通过动力学模拟研究聚酰亚胺玻璃化转变。     

Thymol在不同分子链长度塑料膜中的释放动力学模拟

目的利用分子动力学模拟并分析不同PVA分子链长度下thymol的释放过程和释放机理。方法研究基体为聚乙烯醇(PVA),添加抗菌剂thymol共建PVA/thymol聚合物模型,进行分子动力学模拟,分别从均方位移、扩散系数、自由体积角度研究分子链长度分别为40,80,160下thymol在PVA聚合物中的释放过程。结果 thymol分子在PVA中的自由体积分数会随着分子链长度的增加而减小,thymol分子在PVA中的扩散系数也会相应减小,这是因为分子链越长,分子间的相互作用力越大,束缚了链的运动性。结论不同分子链长度对于包装材料抗菌剂中的释放具有重要影响。在同等条件下,短链结构中thymol分子在PVA中容易释放,且做缓慢蠕动运动而非跳跃扩散运动。     

分子动力学模拟噻吩/正庚烷在PEG膜中溶解-扩散行为

采用分子动力学方法模拟汽油组分在聚乙二醇(PEG)膜中的溶解-扩散行为。吸附动力学模拟结果表明,动力学平衡之后,噻吩与聚合物表面距离明显缩短。PEG对噻吩与正庚烷的吸附能分别为-52.17 kJ/mol和-38.00 kJ/mol。PEG对噻吩的吸附能小于正庚烷,因而PEG对噻吩具有吸附选择性。扩散动力学模拟结果表明,在不同温度下,噻吩的扩散系数均高于正庚烷,PEG对噻吩具有扩散选择性,与实验结果相符。     

静压力下粘弹性阻尼材料自由体积分数的分子模拟研究

采用Material Studio分子模拟分析软件,对两种粘弹性阻尼材料A和B静压力条件下的自由体积参数进行预测。预测结果显示,两种材料均随着静压力的提升出现自由体积参数的下降,但两种材料的下降程度存在明显的差异。     

分子动力学模拟聚电解质在聚苯乙烯微球表面的吸附

使用Materials Studio软件分别模拟阳离子聚电解质PDADMAC在PS微球表面和磺化PS微球表面的吸附。比较两个体系吸附平衡后的构型,发现PDADMAC可以更加舒展、均匀地吸附在磺化PS微球表面。并分别计算了PS-PDADMAC、磺化PS-PDADMAC体系的相互作用能,EPS-PDADMAC和EPS-SO3-PDADMAC的值分别在160kJ/mol和-90kJ/mol左右波动。模拟结果表明,PDADMAC在磺化PS微球表面吸附是一个自发过程,并且二者可以形成稳定的体系。     

掺硅a-C∶H材料光学性质的分子动力学模拟

利用分子动力学方法,对掺Si的非晶碳氢材料的结合键、C-sp3含量、电子结构、光学性能等物理性质进行了理论模拟研究。研究结果表明,在Si掺杂量小于8%时,随Si掺杂量的增加,Csp3含量,C-Si键数量均呈现增大的趋势,而C-C键数量则有所降低。在光学特性上,在波长为400~800nm范围内,其透过率在Si掺杂量为1.5%时达到最大值,然后,随Si掺杂量增加其透过率先减小后增大,并在掺杂量为4.5%处达到一个透过率的极小值。此外,当Si掺杂量为4.5%时,其反射率和吸收系数最大。     

聚丙烯规整性和分子量对结晶性能的影响

采用等温和非等温差示扫描量热(DSC)法研究了聚丙烯规整性和分子量对其结晶性能的影响。结果表明,采用等温结晶分析,聚丙烯的规整性与其熔点成线性关系。但对于分子量很低或规整性很高的聚丙烯,其熔点和规整性不符合以上线性关系。采用非等温结晶分析,聚丙烯规整性的对数与其熔融焓的对数成线性关系。对乙烯共聚研究结果说明,对高规整性聚丙烯,极少量乙烯共聚也会影响其规整性。     

杜仲胶/天然橡胶共混物的分子动力学模拟和耗散粒子动力学模拟

应用分子动力学(MD)和耗散粒子动力学(DPD)模拟方法对杜仲胶(TPI)、天然橡胶(NR)的相容性进行了研究。采用MD模拟方法,在COMPASS力场下,对纯物质在不同聚合度下的溶度参数、一系列共混比的TPI/NR共混物内聚能密度、Flory-Huggins作用参数进行了模拟计算,确定了纯物质单链的聚合度,经判断各比例共混物的相容性均较好;采用DPD模拟方法对TPI/NR共混体系的相结构进行了研究,从等密度图可以进一步判断共混体系的相容性;分析比较两种纯物质的径向分布函数,揭示了其相互作用的本质;经过分析比较静态力学性能,发现共混比为1/3的TPI/NR共混物性能最佳,其结论与实验结果一致。     

Silver Diffusion and Clustering in Oxyfluoride Glasses Investigated by Molecular Dynamics Simulations

Glasses with compositions (97 – x)[PbF₂:GeO₂]–3Al₂O₃–xAg₂O, with the PbF₂:GeO₂ ratio equals to 1.5 and x varying from 0 to 3%, form silver surface films after thermal treatment near the glass transition temperature. The NPT molecular dynamics simulations of a glass composition 56.4PbF₂–37.6GeO₂–3Al₂O₃–3Ag₂O have been performed, where 0, 20, 40, 60, and 100% of the Ag⁺ ions were reduced to Ag by the fluoride ions. The simulations showed that the silver atoms aggregate into clusters of increasing numbers and sizes as the silver atoms content increases. In addition, the silver atoms diffusion coefficients are at least one order of magnitude larger than the fastest ion in the matrix. These results are consistent with the rapid formation of the metallic surface film observed experimentally.