小分子在聚對(duì)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(jié)晶性的高分子材料，具有優(yōu)良的氣體阻隔性能，在半導(dǎo)體、集成電路、微電子系統(tǒng)、傳感器、醫(yī)用儀器、文物保護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。研究者十分關(guān)注氣體小分子（特別是水分子）在Parylene聚合物中的擴(kuò)散遷移行為和機(jī)制。實(shí)驗(yàn)上可以獲得氣體分子在聚合物中的溶解度、擴(kuò)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(kuò)散行為的詳細(xì)信息，所以對(duì)擴(kuò)散、滲透機(jī)制也很難掌握。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和聚合物理論模

2、型構(gòu)建方法的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)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(chǎng)，利用Material Studio(MS)軟件，通過分子動(dòng)力學(xué)(MD)和巨正則蒙特卡洛方法(GCMC)相結(jié)合的方法，對(duì)滲透劑分子在Parylene聚合物中的溶解、擴(kuò)散和滲透行為進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。首先利用分子動(dòng)力學(xué)方法，構(gòu)建了具有一定聚合度的無定型PC聚合物模型，經(jīng)過能量?jī)?yōu)化和“退火”處理，獲得了具有一定有序結(jié)構(gòu)的聚合物模型。

3、當(dāng)聚合度達(dá)300，并經(jīng)5個(gè)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(zhuǎn)變溫度的模擬值與實(shí)際聚合物膜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近，說明此模型可以很好地代表實(shí)際聚合物結(jié)構(gòu)。
　　計(jì)算了鏈長（聚合度）、溫度等因素對(duì)聚合物內(nèi)的自由體積以及氣體分子在其中的溶解度、擴(kuò)散和滲透系數(shù)的影響。結(jié)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(nèi)，隨著鏈長的增加，滲透劑分子在PC聚合物中的擴(kuò)散系數(shù)降低、溶解系數(shù)增大;溫度升高（278～358K范圍內(nèi)），滲透劑分子在PC聚合物中的擴(kuò)散系數(shù)增加，溫度對(duì)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(gè)數(shù)，對(duì)最終得到的擴(kuò)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(jì)算獲得了不同氣體分子在PC聚合物中的擴(kuò)散系數(shù)、溶解系數(shù)和滲透系數(shù)。結(jié)果表明，分子越大，溶解系數(shù)越大、擴(kuò)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(duì)PC聚合物的計(jì)算結(jié)果，選用合適的鏈長和優(yōu)化程度（鏈長為300，5個(gè)退火優(yōu)化循環(huán)），構(gòu)建了PN、PD聚合物的模型。通過對(duì)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(duì)較小分子(He、H2、O2、N2)的阻隔能力相差不大，而PC對(duì)較大分子(H2O、H2S、Cl2、SO2)的阻隔性優(yōu)于PN和PD。
　　同樣地，預(yù)測(cè)了滲透劑分子在Pary