改性PA6基IV型储氢罐内衬材料氢渗透性能的分子模拟研究

为解决IV型储氢罐聚合物内衬的氢渗透问题，研究人员通过分子动力学（MD）模拟研究了PA6及其CNT、石墨烯（G）和CNT-G复合材料的H2吸附扩散行为。结果表明，填料可降低H2扩散系数，PA6-G渗透系数最低（<10?12 cm3 cm/(cm2·s·Pa)），温度与渗透系数正相关，与溶解度负相关。该研究为高性能储氢罐内衬设计提供了理论依据。

　　

氢能作为清洁能源的代表，其高效储存是制约发展的关键瓶颈。IV型储氢罐凭借聚合物内衬的轻量化优势成为主流选择，但高压下氢分子渗透导致内衬变形、鼓泡甚至开裂，严重威胁设备寿命。传统材料如高密度聚乙烯（HDPE）虽具良好阻隔性，但机械性能不足；而聚酰胺6（PA6）因综合性能优异被丰田Mirai燃料电池车采用，但其氢渗透机制及改性策略仍需深入探究。

山西电子科技研究所等机构的研究人员通过Materials Studio软件构建了PA6、PA6/碳纳米管（CNT）、PA6/石墨烯（G）及PA6/CNT-G四种材料模型，在233–363K和0.1–70 MPa条件下模拟H₂的吸附与扩散行为。研究首次系统比较了不同填料对PA6氢渗透性能的影响规律，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究采用三大关键技术：1）基于AC模块构建含8条PA6链和20个H₂分子的非晶胞模型；2）结合巨正则蒙特卡洛（GCMC）与爱因斯坦关系计算溶解度系数（S）和扩散系数（D）；3）通过自由体积分数（FFV）分析揭示渗透机制。

改性内衬模型建立
通过调整CNT直径（2.03 nm）和石墨烯层间距（0.34 nm），构建了填料均匀分散的复合体系。PA6-G模型显示石墨烯片层形成了迷宫式阻隔结构。

溶解/吸附过程模拟
GCMC结果表明PA6-G的H₂吸附量最低（0.025 cm³/cm³），比纯PA6降低37%。温度升高导致吸附量下降，符合亨利定律，证实溶解过程为放热反应。

填料对渗透系数的影响
渗透系数（P=D×S）排序为PA6>PA6-CNT>PA6-CNT-G>PA6-G。石墨烯使P值降低两个数量级，归因于其二维结构大幅延长H₂扩散路径。压力升至70 MPa时，PA6-G的P值仍稳定在3.2×10^?13 cm³ cm/(cm²·s·Pa)。

自由体积分析
FFV与温度呈正相关（0.18–0.22），与压力负相关。PA6-G的FFV最小（0.16），证实填料可压缩分子链间隙。

结论与意义
该研究阐明填料类型与氢渗透性能的构效关系：石墨烯通过几何约束效应显著提升阻隔性，CNT-G复合填料协同作用优于单一填料。首次建立的PA6基材料渗透系数预测模型，为IV型储氢罐内衬的分子设计提供了量化标准。成果对延长储氢设备寿命、推动氢能汽车商业化具有重要工程价值，同时为其他小分子阻隔材料开发提供了方法论参考。