尿素和水體系在高嶺石層間插層過程的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、目前聚合物/層狀硅酸鹽(Polymer/Layered Silicate，PLS)納米復(fù)合材料無論基礎(chǔ)研究還是工業(yè)開發(fā)都十分活躍。高嶺石是制備這種聚合物常用的材料。制備這種聚合物時必須對高嶺石進行插層有機化，以得到層間距較大的有機化高嶺石材料，使得聚合物分子容易進入高嶺石層間，而形成納米復(fù)合材料。尿素是工業(yè)上常用的一種插層劑，和其他插層劑相比其優(yōu)點在于污染小。對環(huán)保要求越來越高的當(dāng)今社會，綠色產(chǎn)品和綠色生產(chǎn)將成為未來的主流，因而尿素作為

2、插層劑有進一步研究的價值。本文對水/尿素體系、尿素與高嶺石體系以及水/尿素和高嶺石體系進行了分子模擬研究，以揭示尿素的插層機理
　　 對300K時水、尿素和尿素水溶液模擬計算表明，尿素分子之間通過氧原子和氫原子形成氫鍵，鍵長是2.4A;水分子間形成氫鍵的鍵長是1.77(?)，兩氫鍵作用在水溶液中均得到增強。溶液所有氫鍵中尿素分子氫氧原子之間的氫鍵作用最弱，尿素氫原子與水分子中氧原子之間的氫鍵作用最強，這種效應(yīng)導(dǎo)致溶液中水比體積水

3、的自擴散系數(shù)小，尿素和水在溶液中主要以N-H鍵與水中的O原子締合的方式形成氫鍵，鍵長是1.75(?)。水的加入可以與尿素分子形成更穩(wěn)定的氫鍵，降低體系的能量。
　　 對尿素和高嶺石體系，模擬計算了在300K時，尿素插層量與體系層間距的關(guān)系。結(jié)果表明：隨著插層量的增加，高嶺石平衡層間距不斷增大，但增幅逐漸減小。尿素分子在高嶺石層間成雙層分布，尿素分子含量較低時，插入層間的尿素分子主要分布在靠近高嶺石羥基表面的一側(cè)，尿素分子O=C鍵

4、中的氧原子與高嶺石表面的羥基形成C=O…H-O-Al氫鍵。當(dāng)插入層間的尿素分子含量增加時，新插入的尿素分子主要進入靠近高嶺石硅氧表面的那層尿素中，這層尿素中N-H鍵與高嶺石表面的氧原子形成N-H…O-Si氫鍵。體系位能的變化受尿素分子與高嶺石之間的位能影響較大。
　　 對水、尿素和高嶺石體系模擬計算在300K時，不同含量的水對尿素插層高嶺石的影響。結(jié)果表明層間水分子成三層分布。尿素的摩爾分率為0.58時，水分子可以同尿素分子共同