Behaviors of water molecules in polyvinyl alcohol gel amid stretch and temperature changes: A molecular dynamics study

聚乙烯醇 材料科学 氢键 聚合物 分子动力学 分子 微尺度化学 极限抗拉强度 化学工程 溶剂 复合材料 化学物理 有机化学 计算化学 化学 工程类 数学教育 数学
作者
Yan Tang,Zechuan Yu,Lik‐ho Tam,Ao Zhou,Dongming Li
出处
期刊:Materials today communications [Elsevier BV]
卷期号:33: 104834-104834 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.mtcomm.2022.104834
摘要

Mechanical performance of polyvinyl alcohol (PVA) gel features temperature dependence, which is closely related to the behaviors of water molecules at the microscale. In this study, we use molecular dynamics simulation to study the effect of temperature on hydrogen bonding and tensile properties of PVA gel. By analyzing the states of water molecules in the polymer network, we reveal the mechanism behind the temperature dependence of tensile properties of PVA gel. Based on a method that classifies water into different states, we find that there are 3 states of water in PVA gel, including non-freezing water, freezing water, and free water. It is shown that the conversion of water molecules from bonded to free states is a critical behavior for the decline of tensile properties of PVA gel at elevated temperatures. Furthermore, we investigate the changes of hydrogen bond contents in PVA gel at different temperatures. The analyses show that increasing temperature decreases the content of hydrogen bonds between solvent water molecules and polymer chains, which destabilizes the cross-linking points and weakens the integrity of the gel, thereby degrading the mechanical properties of PVA gel. The mechanism behind the temperature dependence is revealed in this work.
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