不同温度与含水率下海泡石分子模拟和物理性能分析

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纯净的海泡石晶体具有特殊的层链状结构,其比表面积较大,呈现有较强的流变性、吸附性、催化性等性能,在化工、建材以及航空航天等领域有着广泛应用。应用过程中发现矿石中Fe2+、Ca2+和K+等离子存在对海泡石吸附水分子能力有较大影响,同时含水率变化和工作温度会导致矿石微观结构发生变化,宏观力学性能产生差异。本文利用分子动力学模拟方法分别构建海泡石层间域三种离子微观模型,研究其对水分子的吸附作用机理,并模拟不同温度下海泡石对水分子的相互作用机制和物理特性的变化规律。本文主要从以下几个方面进行探讨:(1)利用Materials Studio软件中Sorption模块对海泡石晶体结构进行吸附水分子的模拟,分别构建三种离子海泡石,尝试改变海泡石微观结构,然后从阳离子的落位,以及对水分子的吸附热和吸附能、径向分布函数和吸附等温曲线等方面,探讨海泡石对水分子的吸附机理,发现阳离子的存在增强了海泡石的吸附性能,表明模型中阴离子附着点随阳离子增加而变多,其中海泡石层间域钙离子模型对水分子的吸附量最大。(2)采用Forcite模块对海泡石层间域钙离子晶体模型在常温至125℃的温度区间内进行变温模拟,对吸附水分子之后海泡石晶体结构层间离子进行动力学分析,分别从自扩散系数、均方位移以及径向分布函数三个方面研究不同温度下海泡石晶体微观对水分子的吸附规律,结果表明,随着温度增加,海泡石中水分子扩散系数增加,钙离子扩散系数先增后减,因为温度升高,加剧了水分子与海泡石之间的相互作用,海泡石晶层结构被破坏,阻碍了钙离子的扩散。(3)利用Forcite模块中的力学性能任务栏对海泡石晶体吸附水分子之后,晶体力学特性的变化,分析在不同温度下杨氏模量、体积模量、剪切模量和应力应变的变化规律,,研究其对海泡石晶体结构微观力学性能的影响,结果表明,随着温度升高,海泡石各机械量有着减小趋势,这是因为含水量增加,海泡石水化效果加剧,导致力学性能降低。(4)通过不同实验分析海泡石在不同离子、时间、温度和浓度下吸附水分子的实验数据,与分子动力学模拟结果对比,实验结果表明,钙离子增强海泡石吸附性能的过程中,温度和离子浓度起着重要作用,力学拉伸实验表明温度对海泡石结构变化影响显著,并且实验结果与仿真结论相符。理论分析、仿真模拟和实验数据表明,在不同含水量和温度下海泡石微观结构发生改变,并且热力学和动力学分析表明,海泡石各物理量随温度升高也发生了规律性变化,其结果可为海泡石在不同工作环境下的吸附机理以及力学性能的变化规律提供理论依据,对后期进一步研究海泡石表面活性以及吸附作用具有重要意义,可有效扩大海泡石的应用领域。
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