概 述
包装材料优化
工业应用
商用化学品
挑战
改善塑料包装材料的性能
降低小分子从内至外或反向的不期望的迁移
模拟工作
创建包装材料的双模型
计算扩散系数
分析扩散与周围条件的相关性
模拟结果
基于MD模拟计算得到的扩散系数对小分子在塑料包装材料中的迁移进行研究。对温度影响进行了预测。此外，还发现了聚合物基质中极性基团队扩散行为的影响。
分 类
工业应用
大宗化学品
涂料
食品及添加剂
家庭及个人护理
软件
CIassical
AMORPHOUS BUILDER
GROMACS
LAMMPS ATOMISTIC
Engineering
MAPS
性质
扩散系数
渗透性
溶解性
应用
聚合物
聚合物由于其性能及成本、耐久性常被用于包装材料。通常情况下，包装材料被用于阻止化学物质发生从内至外或反向的扩散。尤其在食品应用领域，塑料包装材料必须符合严格的法规要求，例如，添加剂渗出并满足终端用户的需求，也需保证食品的品质及安全性。多层功能屏障有利于降低不期望的迁移。对此了解聚合物的渗透性极为关键。
挑战
为保证产品的安全性及包装材料的性能，降低内侧与外侧间不期望的交换极为重要。尤其是小分子如水、香气化合物、添加剂或类似物质能够迁移通过包装材料。理解这些分子扩散通过聚合物基质的机制对包装产品的改性及新产品开发至关重要。
模拟工作
在本研究案例中，我们对水及甲醇在由聚乙烯及丙烯酸乙基丁酯与聚乙烯构成的二元嵌段共聚物的聚合物基质中不同温度下的扩散进行了考察。利用MAPS polymer 及MAPS Amorphous builder 构建结构模型。利用MAPS的LAMMPS 模块进行分子动力学（MD）模拟。在3个不同的温度下对水及甲醇在产品中的扩散进行研究，并分析了温度对扩散的影响。通过计算水及甲醇的均方位移进而得到扩散系数D，对模拟结果进行分析。考虑到水分子可形成氢键，对含水的案例将聚合物基质中的水团簇作为始态进行了附加模拟。
Figure 1：温度与扩散系数的关系。甲醇（橙色），水（绿色）。
模拟结果
基于分子动力学模拟计算扩散系数，模拟了水及甲醇通过聚合物包装材料的扩散。通过与已有数据对比验证模拟的预测性能。模拟显示温度对甲醇的影响更为显著。对基质与扩散分子间原子距离的分析显示，聚合物的组成如基质中的极性聚合物对扩散过程存在显著影响。
通过MD模拟对扩散进行研究不仅限于此类材料。该方法已被成功应用于众多其他案例，如多孔电极材料中电解质的扩散或金属有机骨架中的气体扩散中。
Figure 2：各含有5个PE（黄色）及EBA（绿色）链及5个水分子（红色）的盒子模型
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