小分子在聚對二甲苯系列聚合物中滲透行為的數(shù)值模擬.pdf

1、Parylene聚合物是一類低介電常數(shù)、半結晶性的高分子材料，具有優(yōu)良的氣體阻隔性能，在半導體、集成電路、微電子系統(tǒng)、傳感器、醫(yī)用儀器、文物保護等領域得到廣泛應用。研究者十分關注氣體小分子（特別是水分子）在Parylene聚合物中的擴散遷移行為和機制。實驗上可以獲得氣體分子在聚合物中的溶解度、擴散和滲透系數(shù)等綜合的宏觀性能參數(shù)，而很難獲得氣體分子在其中的微觀擴散行為的詳細信息，所以對擴散、滲透機制也很難掌握。隨著計算機技術和聚合物理論模

2、型構建方法的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬技術成為研究這一課題的一種非常有效的手段。
　　本文基于COMPASS力場，利用Material Studio(MS)軟件，通過分子動力學(MD)和巨正則蒙特卡洛方法(GCMC)相結合的方法，對滲透劑分子在Parylene聚合物中的溶解、擴散和滲透行為進行了數(shù)值模擬計算。首先利用分子動力學方法，構建了具有一定聚合度的無定型PC聚合物模型，經(jīng)過能量優(yōu)化和“退火”處理，獲得了具有一定有序結構的聚合物模型。

3、當聚合度達300，并經(jīng)5個循環(huán)以上的退火處理的PC聚合物模型的密度與玻璃化轉變溫度的模擬值與實際聚合物膜的實驗數(shù)據(jù)接近，說明此模型可以很好地代表實際聚合物結構。
　　計算了鏈長（聚合度）、溫度等因素對聚合物內的自由體積以及氣體分子在其中的溶解度、擴散和滲透系數(shù)的影響。結果顯示，隨著溫度升高和聚合度減小，聚合物模型中的自由體積增大，但總體上，Parylene聚合物中的自由體積仍然很小，不易形成分子滲透的有效通道，這是其具有高氣體阻隔

4、性能的重要原因。在50～500范圍內，隨著鏈長的增加，滲透劑分子在PC聚合物中的擴散系數(shù)降低、溶解系數(shù)增大;溫度升高（278～358K范圍內），滲透劑分子在PC聚合物中的擴散系數(shù)增加，溫度對溶解系數(shù)和滲透系數(shù)影響不大;體系中加入的小分子個數(shù)，對最終得到的擴散系數(shù)值沒有顯著的影響，但體系中加入小分子數(shù)不宜過多。
　　計算獲得了不同氣體分子在PC聚合物中的擴散系數(shù)、溶解系數(shù)和滲透系數(shù)。結果表明，分子越大，溶解系數(shù)越大、擴散系數(shù)和滲透系

5、數(shù)越低;與其它幾種分子相比，H2O分子更易被PC聚合物吸附溶解。
　　參考對PC聚合物的計算結果，選用合適的鏈長和優(yōu)化程度（鏈長為300，5個退火優(yōu)化循環(huán)），構建了PN、PD聚合物的模型。通過對比小分子在PC、PN和PD的滲透系數(shù)模擬值，發(fā)現(xiàn)PC、PN和PD對較小分子(He、H2、O2、N2)的阻隔能力相差不大，而PC對較大分子(H2O、H2S、Cl2、SO2)的阻隔性優(yōu)于PN和PD。
　　同樣地，預測了滲透劑分子在Pary