尿素和水體系在高嶺石層間插層過(guò)程的分子動(dòng)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(wú)論基礎(chǔ)研究還是工業(yè)開(kāi)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(shí)必須對(duì)高嶺石進(jìn)行插層有機(jī)化，以得到層間距較大的有機(jī)化高嶺石材料，使得聚合物分子容易進(jìn)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(diǎn)在于污染小。對(duì)環(huán)保要求越來(lái)越高的當(dāng)今社會(huì)，綠色產(chǎn)品和綠色生產(chǎn)將成為未來(lái)的主流，因而尿素作為

2、插層劑有進(jìn)一步研究的價(jià)值。本文對(duì)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(jìn)行了分子模擬研究，以揭示尿素的插層機(jī)理
　　 對(duì)300K時(shí)水、尿素和尿素水溶液模擬計(jì)算表明，尿素分子之間通過(guò)氧原子和氫原子形成氫鍵，鍵長(zhǎng)是2.4A;水分子間形成氫鍵的鍵長(zhǎng)是1.77(?)，兩氫鍵作用在水溶液中均得到增強(qiáng)。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(qiáng)，這種效應(yīng)導(dǎo)致溶液中水比體積水

3、的自擴(kuò)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(zhǎng)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(duì)尿素和高嶺石體系，模擬計(jì)算了在300K時(shí)，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(shí)，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(shí)，新插入的尿素分子主要進(jìn)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(duì)水、尿素和高嶺石體系模擬計(jì)算在300K時(shí)，不同含量的水對(duì)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(shí)，水分子可以同尿素分子共同