分子模拟研究气体在含氟聚酰胺酰亚胺膜中的渗透行为

论文摘要

本文主要采用分子动力学（MD）法和巨正则蒙特卡洛（GCMC）法,以COMPASS力场为势能模型,利用Material Studio软件分别对气体分子在聚酰胺酰亚胺体系中的溶解和扩散行为进行了分子模拟。首先从聚酰胺酰亚胺结构与性质的关系出发,对主链结构相似仅苯环取代位置不同的两种聚酰胺酰亚胺体系进行分子模拟。计算得到的体系的玻璃化转变温度和实验值较接近表明了模型的真实度。巨正则蒙特卡洛法计算得到的溶解度系数和实验值相差两倍以内,动力学计算得到的扩散选择性和实验值吻合较好。从分子层次对已有实验结果做出合理解释和其他性质模拟。研究了几何构象、单键旋转能垒、玻璃化转变温度、自由体积以及主链的活动性对CO2/CH4在该聚合物种中溶解和扩散的影响。结果表明,苯环对位取代结构可以破坏聚合物封装,有较大的自由体积,可以同时获得较好的渗透性和选择性。在分子模拟结构与性能关系的基础上,研究了五种二胺部分含有不同个数四氟乙烯片段的聚酰胺酰亚胺,利用分子动力学法和GCMC法对CO2在聚酰胺酰亚胺体系中的溶解和扩散进行模拟。通过对比聚合物玻璃化转变温度的计算值和实验值、模拟得到的红外光谱峰强数据和文献数据,可以证实模型和真实体系吻合。计算得到的扩散系数比值和溶解度与实验得到的数值在误差的范围内,通过对模拟结果进行分析,从微观的角度了解影响气体分子扩散的几个因素。发现随着聚合物中四氟乙烯片段的增长,体系的玻璃化转变温度下降,二氧化碳在聚酰胺酰亚胺体系中的扩散系数增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 气体膜分离
• 1.1.1 气体膜分离的发展简史
• 1.1.2 气体膜分离的应用
• 1.1.3 气体膜分离的机理
• 1.1.4 用于气体膜分离的聚合物材料
• 1.2 分子模拟在气体膜分离中的应用
• 1.2.1 聚酰亚胺类高分子
• 1.2.2 聚硅氧烷类高分子
• 1.2.3 其他种类高分子
• 1.3 本文的研究目的和研究内容
• 参考文献
• 第二章 分子模拟理论基础
• 2.1 分子模拟理论基础
• 2.1.1 量子力学（QM）法
• 2.1.2 分子力学（MM）法
• 2.1.3 分子蒙特卡（MC）法
• 2.1.4 分子动力学（MD）法
• 2.2 分子模拟软件简介
• 2.3 主要性质的计算方法
• 2.3.1 玻璃化转变温度的模拟
• 2.3.2 聚合物体系模拟扩散系数的过程
• 2.3.3 溶解度系数
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 分子模拟研究苯环取代位置对聚酰胺酰亚胺分离性能的影响
• 3.1 聚酰胺酰亚胺的几何和电子结构
• 3.1.1 模型的选取
• 3.1.2 参数设置
• 3.1.3 稳定的几何结构
• 3.1.4 单体的旋转能垒
• 3.1.5 M（u|¨）lliken电荷分布
• 3.1.6 总能量和分子轨道能级差
• 3.2 宏观性质的模拟
• 3.2.1 模型构建和有效性验证
• 3.2.2 宏观性质的模拟
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 四氟乙烯片断对小分子在聚酰胺酰亚胺中的渗透性能的影响
• 4.1 模型构建
• 4.1.1 单分子链模拟
• 4.1.2 堆积状态模拟
• 4.1.3 扩散模型构建
• 4.2 性质的计算方法
• 4.2.1 Tg的模拟
• 4.2.2 红外光谱的模拟
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 单分子链的构象比较
• 4.3.2 单分子链的径向分布函数
• 4.3.3 玻璃化转变温度
• 4.3.4 密度和自由体积
• 4.3.5 堆积态的径向分布函数
• 4.3.6 光谱性质
• 4.3.7 溶解性能
• 4.3.8 扩散性能
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 总结
• 附录
• 在读期间完成的论文
• 致谢