شبیه سازی دینامیک مولکولی پدیده نفوذ گاز از میان لایه نانوکامپوزیت پلی اتیلن - خاک رس

بررسی و بهبود خواص نانوکامپوزیت های پلیمری از جمله نفوذ گازها در این مواد و یا خاصیت انسدادی آنها در برابر عبور گاز مستلزم بررسی و شناسایی در سطح مولکولی است. انجام مطالعات آزمایشگاهی در این مقیاس علاوه بر لزوم صرف زمان زیاد، با هزینه های بالا و خطاهایی همراه است. روشهای شبیه سازی راهکارهای جایگزین مناسبی برای کاهش زمان و هزینه تولید هستند. در این پایان نامه، ابتدا اصول شبیه سازی دینامیک مولکولی مورد بررسی قرار گرفته است و سپس میدانهای نیروی مورد استفاده برای شبیه سازی دینامیک مولکولی سامانه ها معرفی شده اند. پس از آن مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه نفوذ گازها در سامانه های پلیمری و خاصیت انسدادی آنها در برابر عبور گازها صورت گرفته و انواع نرم افزارهای موجود برای شبیه سازی دینامیک مولکولی این خواص معرفی شده است. سرانجام با بررسی ها و تحقیقات انجام گرفته، لایه نانوکامپوزیتی پلی اتیلن - خاک رس که اخیراً در صنایع تولید لایه های بسته بندی مواد غذایی مورد توجه قرار گرفته و به واسطه وجود صفحات سیلیکاتی خاک رس، انسداد خوبی در برابر عبور گاز از خود نشان می دهد، برای پژوهش انتخاب شد و شبیه سازی های دینامیک مولکولی جهت بررسی نفوذ گازهایی مانند اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن، آرگون, متان و پروپان در این سامانه نانوکامپوزیتی انجام گرفت. بدین منظور ساختارهای متفاوتی از این لایه نانوکامپوزیتی (متناظر با محتوای متفاوت خاک رس و ریخت شناسی های مختلف قرارگیری صفحات) شبیه سازی شد که شامل لایه پلیمری پلی اتیلن خالص (بدون خاک رس)، لایه های نانوکامپوزیتی پلی اتیلن - خاک رس تک صفحه، دوصفحه کنار یکدیگر، سه صفحه کنار یکدیگر، دوصفحه موازی با یکدیگر و دوصفحه مورب می باشند. با انجام شبیه سازی ها مشاهده گردید که مولکولهای گازی هیدروژن بیشترین ضریب نفوذ را در لایه های نانوکامپوزیتی دارند (4-10*2245/2 تا 4-10*8450/0 سانتی متر مربع بر ثانیه) و پس از آن به ترتیب، آرگون (4-10*8825/1 تا 4-10*8045/ 0 سانتی متر مربع بر ثانیه)، نیتروژن (4-10*6425/1 تا 4-10*7865/0 سانتی متر مربع بر ثانیه)، اکسیژن (4-10*6160/1 تا 4-10*5685/0 سانتی متر مربع بر ثانیه)، و نهایتاً متان و پروپان می باشند. لازم به ذکر است مولکولهای متان و پروپان فقط در شبیه سازی لایه های پلیمری پلی اتیلن خالص و نانوکامپوزیتی دوصفحه خاک رس کنار یکدیگر مورد بررسی قرار گرفتند که به ترتیب دارای ضریب نفوذ با مقادیر 4-10*5405/1 و 4-10*2340/1 سانتی مربع بر ثانیه برای متان و 4-10*0315/1 و 4-10*8719/0 سانتی متر مربع بر ثانیه برای پروپان می باشند. با مطالعه خاصیت انسدادی در لایه های پلیمری/ نانوکامپوزیتی، نشان داده شد که بیشترین خاصیت انسدادی در برابر عبور مولکولهای گازی مربوط به لایه نانوکامپوزیتی پلی اتیلن - خاک رس با آرایش سه صفحه کنار یکدیگر و سپس به ترتیب، آرایش های دوصفحه موازی با یکدیگر، دوصفحه کنار یکدیگر، دوصفحه مورب و تک صفحه می باشند و کمترین خاصیت انسدادی مربوط به لایه پلیمری پلی اتیلن خالص می باشد. بنابراین می توان نتیجه گرفت که افزایش میزان خاک رس باعث بهبود خاصیت انسدادی می گردد و آرایش و چگونگی قرارگیری صفحات خاک رس برروی انسداد گازها تأثیرگذار است. همچنین نتایج نشان داد که با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی می توان رفتار خاصیت انسدادی لایه های پلیمری/ نانوکامپوزیتی، ضریب نفوذ و میزان تراوایی مولکولهای نفوذکننده، مقدار مسیر پیچ و خم دار و میزان تجمع مولکولهای گازی را تعیین نمود.