通过分子动力学模拟研究在不同初始压力下聚丙烯酰胺水凝胶的膨胀百分比、力学性能和热性能的变化

时间：2026年2月2日

来源：International Communications in Heat and Mass Transfer

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本研究利用分子动力学模拟，探究了聚丙烯酰胺水凝胶在不同初始压力（0-5巴）下膨胀率、机械强度（最大应力、杨氏模量）及热传输性能（热流、热导率）的关联机制，揭示了压力对结构、力学和热学特性的纳米尺度影响规律，为石油、环保等领域的水凝胶应用提供理论支撑。

朱克军|卢桐|顾晓琳|王一斌|刘雄|A. 拉希米

湖南邵阳邵阳大学机械与能源工程学院，湖南邵阳422000

摘要

尽管对水凝胶在各种条件下的膨胀行为和机械性能进行了广泛研究，但将初始压力变化与膨胀动力学和热传输性能联系起来的纳米级机制尚未得到充分探讨。特别是，初始压力对聚丙烯酰胺基水凝胶的结构、机械和热特性的影响尚未在分子水平上进行全面研究。本研究旨在通过分子动力学模拟来分析不同初始压力（0、1、2和5巴）对聚丙烯酰胺水凝胶的膨胀百分比、极限强度、杨氏模量、热流和热导率的影响，从而填补这一空白。使用LAMMPS软件观察到，初始压力从0增加到5巴时，水凝胶的体积从360,256 Å³减少到312,583 Å³，热导率从0.58 W/m·K降低到0.52 W/m·K，同时机械强度和韧性得到提高，极限强度从0.0305 MPa增加到0.0396 MPa，韧性从0.4108增加到0.4205。这些结果为压力下水凝胶的相互关联的机械和热行为提供了新的见解，从而增强了其在石油、环境保护等领域的应用潜力。

引言

水凝胶是一种由通过交联剂连接的聚合物链组成的结构。水凝胶的稳定性归因于这些交联剂，使它能够在生理环境和中保持其结构。根据所附基团的电荷，水凝胶的性质可以是中性的、阳性的或阴性的。此外，根据所使用的交联剂，水凝胶可以被分类[1]、[2]、[3]。水凝胶可以是物理性的或化学性的，并且可以具有多种结构，包括非晶态、半晶态、晶态或水胶体聚集体[4]、[5]。为了解决各种行业中的水分保持问题，几十年前开发了超强吸水聚合物（SAPs）。后续研究发现了超多孔水凝胶（SPHs），这是一种具有改进的机械强度、弹性性能和水分保持能力的额外类型的水吸收聚合物[6]、[7]、[8]、[9]。水凝胶根据其物理特性、膨胀倾向、制备方法、生物降解速率和观察到的交联行为进行分类[10]、[11]。聚丙烯酰胺（PAM）是一种广泛应用于各个行业的水溶性聚合物，包括石油、造纸、冶金、纺织制造、化工生产和环境保护。由于其经济性和在各种条件下可溶于水的特性，基于丙烯酰胺的聚合物经常被用于提高石油回收率。这些聚合物可以合成成阳离子型、阴离子型和非离子型，并且可以达到高分子量。研究人员已经研究了这些水凝胶在医学、制药、石油生产和环境保护等领域的应用[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。Singh等人[18]研究了pH敏感的车前草和基于PAM的水凝胶在药物输送中的应用。他们发现，这些水凝胶的膨胀百分比（SP）取决于聚合物结构和环境。Chan等人[19]发现，基于PAM的水凝胶涂层提高了植入泵设备的生物相容性。他们的研究结果表明，使用基于PAM的共聚物水凝胶涂层可以改善这些设备的功能和耐用性，从而减轻依赖植入设备的人的护理负担。Andrade等人[20]研究了pH值、离子强度和磁场对用于癌症治疗的刺激响应性水凝胶的影响。研究发现，通过调节肿瘤微环境的生理特征（如细胞外和细胞内pH值的变化），可以调节药物在肿瘤部位的释放。Kocaaga等人[21]使用分子动力学（MD）建模来计算果胶水凝胶中的适当药物负载量。他们的研究发现，药物释放受到聚合物链的局部和整体运动以及系统组分之间非键合相互作用的影响。最后，Florowska等人[22]揭示了初始压力（Initial-P）对菊粉凝胶化及其随后水凝胶特性的影响。根据研究结果，更高的初始压力使用导致水凝胶的稳定性和结构更加紧凑。Liu等人[23]使用MD建模揭示了水凝胶的机械特性。他们发现，混合水凝胶在结合物理和水凝胶的有益特性方面具有巨大潜力。Shahshahani等人[24]使用MD建模揭示了水凝胶的机械特性。他们发现，提高初始温度（T）可以改善机械性能。Wu等人[25]使用MD建模展示了水凝胶的机械性能。他们发现，在水分含量为20-80%的范围内，随着水分含量的增加，水凝胶的机械和摩擦性能逐渐改善。Yang等人[26]报告了聚合物的机械性能随时间（T）和静水压力（P）的变化。他们的研究表明，静水压力的增加显著影响了聚合物的机械性能，提高了其杨氏模量（YM）并改变了泊松比。Hu等人[27]展示了离心P对硼酸交联聚（乙烯醇）/透明质酸水凝胶性能的影响。这些结果表明，离心P改善了水凝胶的特性。Schulze等人[28]研究了聚合物渗透压对水凝胶动力学的影响。他们发现，水凝胶在渗透阈值以下可以弹性弯曲而不会失去液体，这与Hertz模型的预测一致。他们的研究发现，渗透压是影响水凝胶力学和变形的主要因素。Sathish等人[29]使用响应面方法优化了玄武岩/玻璃纤维聚合物复合材料纳米填料（0-2 wt%）的拉伸强度，在1%填料、15 MPa压力和30分钟超声处理下获得了最大值267 MPa。Sathish等人[30]评估了手工铺设制成的短香蕉纤维增强聚酯复合材料的阻尼和机械性能，在Ts/频率范围内获得了最佳性能，同时提高了自然频率和阻尼比。Thanikodi和Saravanan[31]通过压缩成型开发了可持续的环氧纳米复合材料，获得了最佳的机械性能（拉伸强度41.16 MPa，弯曲强度91.45 MPa），同时具有优异的热稳定性。

本研究通过详细的MD模拟，独特地研究了不同初始压力（0-5巴）对聚丙烯酰胺水凝胶的膨胀百分比、机械强度和热传输性能的影响，这在分子尺度上具有创新性。这一定义的压力区间揭示了聚合物水凝胶的结构、机械和热行为变化的主要模式。在实际应用中，低初始压力下的明确原子结构提供了适合伤口愈合和组织工程应用的生物功能性粘附[32]。在常压条件下（包括1至5 atm的轻微压力变化）保持水分的水凝胶在农业中用于土壤保湿或水资源收集技术[33]。此外，水凝胶可以通过低压等离子体射流进行改性或交联，从而改变其表面和结构特性，用于先进材料应用，如涂层或传感器[34]。与以往研究通常强调的大变形行为、水分含量效应或温度变化对水凝胶机械性能和膨胀行为的影响不同，本研究将初始压力变化直接与机械性能（包括韧性、杨氏模量和极限强度（US）以及热性能（包括热流（HF）和热导率（TC）联系起来，这些参数在聚丙烯酰胺系统中尚未得到充分探索。这种综合方法展示了P如何修改水凝胶结构和功能的纳米级机制，为面临不同压力条件的行业提供了具有实际意义的新见解。此外，理解这些参数具有全球重要性，因为水凝胶在生物医学设备、农业和工业系统等关键应用中的作用日益扩大。在分子水平上控制膨胀、机械强度和热导率，使得可以设计出适用于伤口愈合、药物输送、组织工程和通过改善土壤保湿实现可持续农业的水凝胶[35]、[36]、[37]。此外，在不同压力条件下优化这些性能使得它们可以在软体机器人和智能传感器等新兴技术中得到应用[38]。通过将纳米级结构变化与压力下的宏观性能联系起来，本研究为开发多功能、刺激响应性水凝胶提供了有价值的见解，以应对全球范围内的挑战，包括医疗保健、食品安全和工业创新。

当前模拟的详细信息

通过限制原子-分子结构的振荡方向，可以调节其物理行为。改变初始条件（如初始压力）是研究和评估样品结构和物理性能的绝佳方法。本研究研究了不同初始压力（0、1、2和5巴）对几种基于PAM的水凝胶参数的影响，包括膨胀百分比（SP）、机械和热性能。

结果与讨论

前一节描述了使用PAM和水分子制造的水凝胶结构的建模和构建。为此，使用了Avogadro和Packmol软件以及MD方法来分析最终结构的行为。监测了物理量，如温度（T）和动能，持续10纳秒，以确保样品的结构和物理稳定性。计算了多个机械和热参数，包括膨胀百分比（SP）、杨氏模量（US）、热流（HF）和热导率（TC）。

结论

总之，本研究通过在不同初始压力（0、1、2和5巴）下设置样品，评估并报告了水凝胶的膨胀百分比（SP）、杨氏模量（US）、杨氏模量（YM）、热流（HF）和热导率（TC）等性能。这是使用计算软件LAMMPS实现的。结果表明，KE随时间的稳定值为12531.5 eV。这种热力学行为表明结构的稳定性随时间降低，T值波动。研究发现，当初始压力从0增加到5巴时，