《分子模拟论文》PPT课件

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3.1实验结果与分析
水在不同温度下在两种ห้องสมุดไป่ตู้合物中的扩散系数：
温度T
293.15K 303.15K 323.15K
水在聚乙烯醇中的扩散系数 D(10-8cm2/s) 2.61 2.92 3.11
水在尼龙6中的扩散系数 D(10-8cm2/s) 0.08 0.18 0.66
表中数据我们通过图形来对比分析：
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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
高分子树脂 对水的阻隔性能研究
余勇 指导老师:王孟
化学化工学院 高分子材料与工程专业071班
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大纲
一.前言 二.实验部分 三.结果与讨论 四.结论
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一. 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
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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 没有明确的界限 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。
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 (10-8cm2/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)
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。
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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 运行 计算
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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
b
图2.3优化的结构图，a-尼龙6，b-聚乙烯醇
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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
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5.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
W．H．Jiang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。
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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
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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
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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
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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
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三、结果与讨论
1、实验结果与分析 2、活化能的计算
小分子物质结构的影响
W．H．Jiang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。
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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.
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3.2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
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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。
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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
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6. 课题提出
实验法去测定小分子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。