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(chǎng)為勢(shì)能模型,運(yùn)用分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)以及巨正則蒙特卡洛方法對(duì)雜化聚酰亞胺膜（PI）的氣體滲透性能進(jìn)行了模擬研究.構(gòu)建了含20個(gè)單體的等規(guī)立構(gòu)高分子鏈,經(jīng)一系列優(yōu)化處理過(guò)程,獲取了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相近的聚合物高分子鏈結(jié)構(gòu)模型.分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算獲取了CO₂與N₂在PI聚合物中的溶解系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)與滲透系數(shù),通過(guò)模型中X射線衍射光譜（XRD）確定了體系的真實(shí)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(jì)算表明納米SiO₂的加入提高了膜對(duì)CO₂的滲透分離性能. 

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

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【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(duì)ＣＯ２／Ｎ２氣體滲透性能的模擬·４９·的高構(gòu)象，體系的勢(shì)能減小，動(dòng)能變化不大，故總能量大幅降低，為下一步動(dòng)力學(xué)計(jì)算提供良好的條件［８］．隨后進(jìn)行了５０ｐｓ的ＮＰＴ與５０ｐｓ的ＮＶＴ動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，使得模型更加接近實(shí)際ＰＩ體系，得到最終的軌跡文件，用以預(yù)測(cè)與分析ＰＩ模擬封裝模型的各種性質(zhì)．圖２Ｄｉｓｃｏｖｅｒ動(dòng)力學(xué)模擬中能量隨時(shí)間變化曲線Ｆｉｇ．２Ｖａｒｉｅｔｙｃｕｒｖｅｏｆｅｎｅｒｇｙｖｅｒｓｕｓｔｉｍｅｆｏｒｄｉｓｃｏｖｅｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ２．２Ｘ射線衍射光譜利用Ｒｅｆｌｅｘ模塊進(jìn)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(shuō)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(shí)驗(yàn)值相一致，表明經(jīng)過(guò)一系列退火與動(dòng)力學(xué)優(yōu)化過(guò)程，ＰＩ封裝模型體系具有了一定的有序的結(jié)構(gòu)，與實(shí)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(duì)滲透氣分子在聚合物體系中的擴(kuò)散行為起著非常重要的作用，它為鏈運(yùn)動(dòng)提供了必要的活動(dòng)空間，并為小分子的擴(kuò)散提供了空間．通過(guò)硬球探針的方法，采用ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕ－ｄｉｏ７．０中的ＡｔｏｍＶｏｌｕｍｅ＆ｓｕｒｆａｃｅ工具，進(jìn)行膜擬的計(jì)算．模擬過(guò)程中選取一定半徑的球形探針?lè)肿友刂酆衔飿?gòu)成原子表面不斷滾動(dòng)，接觸點(diǎn)構(gòu)成Ｃｏｎｎｏｌｌｙ表

變化曲線Ｆｉｇ．２Ｖａｒｉｅｔｙｃｕｒｖｅｏｆｅｎｅｒｇｙｖｅｒｓｕｓｔｉｍｅｆｏｒｄｉｓｃｏｖｅｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ２．２Ｘ射線衍射光譜利用Ｒｅｆｌｅｘ模塊進(jìn)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(shuō)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(shí)驗(yàn)值相一致，表明經(jīng)過(guò)一系列退火與動(dòng)力學(xué)優(yōu)化過(guò)程，ＰＩ封裝模型體系具有了一定的有序的結(jié)構(gòu)，與實(shí)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(duì)滲透氣分子在聚合物體系中的擴(kuò)散行為起著非常重要的作用，它為鏈運(yùn)動(dòng)提供了必要的活動(dòng)空間，并為小分子的擴(kuò)散提供了空間．通過(guò)硬球探針的方法，采用ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕ－ｄｉｏ７．０中的ＡｔｏｍＶｏｌｕｍｅ＆ｓｕｒｆａｃｅ工具，進(jìn)行膜擬的計(jì)算．模擬過(guò)程中選取一定半徑的球形探針?lè)肿友刂酆衔飿?gòu)成原子表面不斷滾動(dòng)，接觸點(diǎn)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(jiàn)，兩種聚合物模擬單元的自由體積分布比較均勻，隨著無(wú)機(jī)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?jǐn)?shù)增加．無(wú)機(jī)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(dǎo)致鏈間距增大，從而使得納米顆粒雜化聚酰亞


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