氢分子在管道密封橡胶中的渗透行为：基于分子动力学模拟的阻隔性能优化研究

针对氢能管道密封材料的气体阻隔性能需求，研究人员通过分子动力学(MD)模拟结合Grand Canonical Monte Carlo(GCMC)方法，系统分析了氢分子在NBR、HNBR和EPDM三种橡胶中的渗透特性。研究发现HNBR因聚合物链紧密排列具有最低渗透率，且其性能受温度(273–303 K)和压力(0.2–2 MPa)影响最小，为氢能管道密封材料选择提供了重要理论依据。

　　

随着全球能源结构向清洁化转型，氢能作为零碳能源备受关注。利用现有天然气管道网络进行氢能输送是经济高效的方案，但氢分子极小的尺寸(直径约0.289 nm)和高渗透性对密封材料提出严峻挑战。橡胶密封件在阀门、过滤器等管道关键部位广泛应用，氢渗透可能导致材料溶胀、气泡破裂，进而引发泄漏甚至爆炸事故。目前针对管道工况条件(温度273–303 K，压力0.2–2 MPa)下橡胶材料氢渗透特性的研究存在明显空白，特别是缺乏不同材料在分子层面的性能对比机制分析。

中国某高校研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过分子动力学(MD)模拟结合实验验证，首次系统比较了丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)和三元乙丙橡胶(EPDM)的氢阻隔性能。研究采用Steepest descent、ABNR和Quasi-Newton算法构建优化分子模型，误差控制在≤3.03%，通过玻璃化转变温度(T_g
)验证模型可靠性。运用GCMC方法计算溶解度系数，结合Einstein关系推导扩散系数，并创新性采用探针半径法分析自由体积分数(FFV)。

模型构建与验证
通过几何优化和退火处理建立三种橡胶的分子模型，计算得到NBR、HNBR和EPDM的T_g
分别为223.7 K、231.2 K和211.3 K，与实验值误差仅1.02–3.03%，证实模型准确性。

渗透特性分析
氢分子扩散呈现"延展振动+短暂跳跃"特征，温度升高使跳跃频率增加。在303 K时，HNBR的扩散系数(1.70×10^-7
cm²
/s)显著低于NBR(2.38×10^-7
cm²
/s)和EPDM(2.31×10^-7
cm²
/s)，其渗透系数(1.37×10^-13
cm³
(STP)·cm/(cm²
·s·Pa))仅为NBR的54%。

温度压力影响
温度从273 K升至303 K使HNBR渗透系数仅增加35%，而NBR和EPDM分别增长55%和49%。压力升至2 MPa时，HNBR渗透系数增幅(12%)远低于其他材料(EPDM达21%)，显示优异工况稳定性。

自由体积机制
采用0.5 ?探针半径分析发现，HNBR的FFV(18.3%)明显小于NBR(21.7%)和EPDM(22.1%)，其紧密的聚合物链结构有效限制氢分子迁移路径。

该研究首次通过分子模拟阐明HNBR在氢阻隔性能上的优势机制，其丙烯腈极性基团和氢化处理形成的饱和链结构协同降低材料FFV。研究为氢能管道密封材料选择提供了量化依据，HNBR的优异温度/压力稳定性可显著提升管道系统安全性。成果对推进氢能基础设施建设和材料设计具有重要指导价值，未来可扩展至其他高性能聚合物体系的氢渗透预测研究。