CO2和O2在聚乳酸/聚偏二氟乙烯共混物中扩散行为的分子动力学模拟研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.10.009

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (10): 51-55.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.10.009

CO₂和O₂在聚乳酸/聚偏二氟乙烯共混物中扩散行为的分子动力学模拟研究

李韶缘, 孙玲(), 蔡恒芳

南昌大学机电工程学院，南昌 330031

收稿日期:2021-03-26 出版日期:2021-10-26 发布日期:2021-10-27

Molecular Dynamics Simulation of Diffusion Behavior of CO₂ and O₂ in PLA/PVDF Blend

LI Shaoyuan, SUN Ling(), CAI Hengfang

College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China

Received:2021-03-26 Online:2021-10-26 Published:2021-10-27
Contact: SUN Ling E-mail:sunling18@163.com

摘要/Abstract

摘要：

采用分子动力学模拟方法研究了CO₂和O₂分子在聚乳酸/聚偏二氟乙烯（PLA/PVDF）共混物中的扩散行为；通过菲克第一定律和Einstein关系式计算了共混物体系模型的自由体积分数以及CO₂和O₂分子在体系中的扩散系数，研究探讨了自由体积分数与探头半径的关系及自由体积分数与扩散系数的关系。结果表明，当PLA/PVDF共混物中PLA和PVDF的质量比为9∶1时，CO₂和O₂气体分子的扩散系数均为最小，共混物阻隔性能最好；共混体系中小分子的动力学半径越小，扩散系数越大；自由体积分数随硬球探头模型中探头半径的增大而减小；不同共混物体系中，自由体积分数的变化趋势与扩散系数一致，与Fox和Flory的自由体积理论相符。

关键词: 分子动力学, 扩散系数, 聚乳酸, 聚偏二氟乙烯, 自由体积分数, 探头半径

Abstract:

The diffusion behavior of CO₂ and O₂ molecules in the poly（lactic acid）（PLA）/polyvinylidene fluoride（PVDF） blends was studied using a molecular dynamics simulation method. The free volume fraction of the blending system model and the diffusion coefficient of CO₂ and O₂ molecules in the system were calculated through the Fick’s first law using the Einstein relational formula. The relationships between free volume fraction and probe radius and the between the free volume fraction and diffusion coefficient were explored. The results indicated that the CO₂ and O₂ molecules exhibited the smallest diffusion coefficients at mass ratio of PLA to PVDF of 9 to 1. The blends exhibited optimal barrier performance. The smaller the dynamic radius of small molecules in the blending system， the larger was the diffusion coefficient. The free volume fraction decreased with an increase in probe radius according to the hard?ball probe model. In different blending systems， the free volume fraction showed a variation trend consistent with the diffusion coefficient. This result was in good agreement with the Fox's and Flory's theories in free volume.

Key words: molecular dynamics, diffusion coefficient, poly（lactic acid）, polyvinylidene fluoride, free volume fraction, probe radius

中图分类号:

TQ321

李韶缘, 孙玲, 蔡恒芳. CO₂和O₂在聚乳酸/聚偏二氟乙烯共混物中扩散行为的分子动力学模拟研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(10): 51-55.

LI Shaoyuan, SUN Ling, CAI Hengfang. Molecular Dynamics Simulation of Diffusion Behavior of CO₂ and O₂ in PLA/PVDF Blend[J]. China Plastics, 2021, 35(10): 51-55.

图/表 9

图1 聚合度为20的PLA模型

Fig.1 Model for PLA with a polymerization degree of 20

图2 聚合度为20的PVDF模型

Fig.2 Model for PVDF with a polymerization degree of 20

PLA和 PVDF的质量比	PLA重复单元数	PVDF重复单元数	PLA和PVDF 分子链数	O₂分子数	CO₂分子数	初始密度/g·cm^-3
1∶9	20	20	1、10	10	10	1.501
3∶7	20	20	3、8	10	10	1.411
5∶5	20	20	7、8	10	10	1.353
7∶3	20	20	2、1	10	10	1.269
9∶1	20	20	8、1	10	10	1.223

表1 共混物建模参数

Tab.1 Modeling parameters for the blend

图3 质量比为5∶5的共混物扩散模型

Fig.3 Diffusion model for the blend with a mass ratio of 5∶5

图4 不同共混物中CO2和O2的MSD

Fig.4 Mean square displacement for CO2 and O2 in different blends

PLA和 PVDF的质量比	CO₂的扩散系数/×10¹⁰m²·s^-1	O₂的扩散系数/×10¹⁰ m²·s^-1
1∶9	17.25	17.40
3∶7	7.12	8.46
5∶5	4.22	7.58
7∶3	5.47	9.09
9∶1	3.90	7.48

表2 不同共混物中CO2和O2的扩散系数

Tab.2 Diffusion coefficient of CO2 and O2 in different blend

PLA和PVDF的质量比	探头半径/nm
PLA和PVDF的质量比	0	0.1	0.152	0.165
1∶9	37.68	18.42	7.90	6.30
3∶7	38.35	18.70	7.49	5.76
5∶5	37.94	17.41	6.58	4.97
7∶3	39.14	19.50	8.43	6.68
9∶1	38.72	18.52	7.12	5.37

表3 不同探头半径系统的自由体积分数计算值 (%)

Tab.3 Calculated values of free volume fractions of systems with different probe radii

图5 不同探头半径下自由体积的空间分布形态

Fig.5 Spatial distribution of free volume under different probe radii

图6 自由体积分数和扩散系数对比图

Fig.6 Comparison chart of free volume fraction and diffusion coefficient

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