以PMDA-ODA型聚酰亞胺為基本模擬單元,納米SiO₂顆粒為摻雜劑,采用COMPASS力場為勢能模型,運用分子力學、分子動力學以及巨正則蒙特卡洛方法對雜化聚酰亞胺膜（PI）的氣體滲透性能進行了模擬研究.構(gòu)建了含20個單體的等規(guī)立構(gòu)高分子鏈,經(jīng)一系列優(yōu)化處理過程,獲取了與實驗數(shù)據(jù)相近的聚合物高分子鏈結(jié)構(gòu)模型.分子動力學計算獲取了CO₂與N₂在PI聚合物中的溶解系數(shù)、擴散系數(shù)與滲透系數(shù),通過模型中X射線衍射光譜（XRD）確定了體系的真實性,研究發(fā)現(xiàn)分子與SiO₂之間的氫鍵使納米顆粒在聚合物基體中能夠穩(wěn)定存在,自由體積等參數(shù)的計算表明納米SiO₂的加入提高了膜對CO₂的滲透分離性能. 

【文章來源】：膜科學與技術(shù). 2016,36(06)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

圖１ＰＭＤＡ－ＯＤＡ單體和ＳｉＯ２的納米顆粒的結(jié)構(gòu)圖Ｆｉｇ．１ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆＰＭＤＡ－ＯＤＡｍｏｎｏｍｅｒ

第６期朱娜娜等：雜化聚酰亞胺膜對ＣＯ２／Ｎ２氣體滲透性能的模擬·４９·的高構(gòu)象，體系的勢能減小，動能變化不大，故總能量大幅降低，為下一步動力學計算提供良好的條件［８］．隨后進行了５０ｐｓ的ＮＰＴ與５０ｐｓ的ＮＶＴ動力學優(yōu)化，使得模型更加接近實際ＰＩ體系，得到最終的軌跡文件，用以預測與分析ＰＩ模擬封裝模型的各種性質(zhì)．圖２Ｄｉｓｃｏｖｅｒ動力學模擬中能量隨時間變化曲線Ｆｉｇ．２Ｖａｒｉｅｔｙｃｕｒｖｅｏｆｅｎｅｒｇｙｖｅｒｓｕｓｔｉｍｅｆｏｒｄｉｓｃｏｖｅｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ２．２Ｘ射線衍射光譜利用Ｒｅｆｌｅｘ模塊進行了粉末衍射，如圖３所示．圖中不存在很尖銳的峰，衍射峰較寬，說明模擬材料為非晶態(tài)．ＸＲＤ圖中ＰＩ聚合物的最大衍射角出現(xiàn)在１７°～２０°范圍內(nèi)，與實驗值相一致，表明經(jīng)過一系列退火與動力學優(yōu)化過程，ＰＩ封裝模型體系具有了一定的有序的結(jié)構(gòu)，與實際聚合物體系基本一致［９］．圖３ＰＩ模擬結(jié)構(gòu)的ＸＲＤＦｉｇ．３Ｘ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＰＩ２．３自由體積特性自由體積的形態(tài)和大小對滲透氣分子在聚合物體系中的擴散行為起著非常重要的作用，它為鏈運動提供了必要的活動空間，并為小分子的擴散提供了空間．通過硬球探針的方法，采用ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕ－ｄｉｏ７．０中的ＡｔｏｍＶｏｌｕｍｅ＆ｓｕｒｆａｃｅ工具，進行膜擬的計算．模擬過程中選取一定半徑的球形探針分子沿著聚合物構(gòu)成原子表面不斷滾動，接觸點構(gòu)成Ｃｏｎｎｏｌｌｙ表

變化曲線Ｆｉｇ．２Ｖａｒｉｅｔｙｃｕｒｖｅｏｆｅｎｅｒｇｙｖｅｒｓｕｓｔｉｍｅｆｏｒｄｉｓｃｏｖｅｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ２．２Ｘ射線衍射光譜利用Ｒｅｆｌｅｘ模塊進行了粉末衍射，如圖３所示．圖中不存在很尖銳的峰，衍射峰較寬，說明模擬材料為非晶態(tài)．ＸＲＤ圖中ＰＩ聚合物的最大衍射角出現(xiàn)在１７°～２０°范圍內(nèi)，與實驗值相一致，表明經(jīng)過一系列退火與動力學優(yōu)化過程，ＰＩ封裝模型體系具有了一定的有序的結(jié)構(gòu)，與實際聚合物體系基本一致［９］．圖３ＰＩ模擬結(jié)構(gòu)的ＸＲＤＦｉｇ．３Ｘ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＰＩ２．３自由體積特性自由體積的形態(tài)和大小對滲透氣分子在聚合物體系中的擴散行為起著非常重要的作用，它為鏈運動提供了必要的活動空間，并為小分子的擴散提供了空間．通過硬球探針的方法，采用ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕ－ｄｉｏ７．０中的ＡｔｏｍＶｏｌｕｍｅ＆ｓｕｒｆａｃｅ工具，進行膜擬的計算．模擬過程中選取一定半徑的球形探針分子沿著聚合物構(gòu)成原子表面不斷滾動，接觸點構(gòu)成Ｃｏｎｎｏｌｌｙ表面，自由體積為Ｃｏｎｎｏｌｌｙ表面包圍體積大�。郏保埃荩畧D４為純ＰＩ膜與雜化ＰＩ／ＳｉＯ２膜的自由體積分布情況．由圖可見，兩種聚合物模擬單元的自由體積分布比較均勻，隨著無機納米顆粒的加入，其擾亂了聚酰亞胺分子鏈緊密有序性，降低了密堆積密度，從而使ＰＩ雜化膜的自由體積分數(shù)增加．無機納米顆粒的加入使得高分子相之間的鏈相互作用力較小，導致鏈間距增大，從而使得納米顆粒雜化聚酰亞


本文編號：3348856