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[解析事例]溶解度係数の算出

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低分子の浸透・拡散・吸着
マテリアルサイエンス

過剰化学ポテンシャルの値からJ-OCTA solubilityモジュールが溶解度計数を計算

目的と手法

溶解度係数は、ガス分子などがポリマーを透過する際の透過係数の重要な因子です。J-OCTAのsolubilityモジュールではガス分子がポリマー中に溶解した際の過剰化学ポテンシャルµexを計算することが可能であり、この計算値から溶解度係数S を算出することができます。過剰化学ポテンシャルの計算時にはExcluded Volume Map Sampling, EVMS法[1]により決められた自由体積領域にガス分子の挿入を行い、エネルギーを評価することを行います。以下の式でs はHenry定数と呼ばれる無次元の溶解度であり、kB はボルツマン定数、T はポリマー系の温度、T0, p0は標準状態の温度と圧力です。

ここではポリマー３種（図１）と水に対して、ガス分子（N2, O2, CO2, CH4）の溶解度係数を計算しました。今回の計算ではポリマーは50量体のモデルを作成し、力場はGAFFを採用しました。ガス分子の力場にDreidingを用いており、水はSPC-FWモデルを使用しました。ポリマーのNPT計算を3ns行った後、溶解度係数を評価しました。

図1　計算に用いたモデル図1　計算に用いたモデル

解析結果

ポリマー３種と水へのガス分子の溶解度係数を計算しました。結果を図２に示します。
ポリマーの中ではPSへの溶解度が大きい傾向があることがわかります。また、ガス分子の中では無極性のN2, O2分子の溶解度が低く、CO2分子は溶解度が高い傾向がありましたが、シミュレーションと実験でこれらの傾向はよく一致しました。

図2　計算された溶解度係数の実験値との比較PE, PS, PB, Waterの実験値はそれぞれ文献[2-5]から取得。図2　計算された溶解度係数の実験値との比較
PE, PS, PB, Waterの実験値はそれぞれ文献[2-5]から取得。

*引用文献
  • [1] G. L. Deitrick,L.E.Scriven, and H.T.Davis, J. Chem. Phys., 90,2370 (1989)
  • [2] A. S. Michaels and H. J. Bixler, J. Polym. Sci., vol. 50, no. 154, pp. 393-412, 1961
  • [3] W. R. Vieth, P. M. Tam, and A. S. Michaels, J. Colloid Interface Sci., vol. 22, no. 4, pp. 360-370, 1966.
  • [4] Polymer Handbook
  • [5] R. Sander, Atmos. Chem. Phys., vol. 15, no. 8, pp. 4399-4981, 2015.

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