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分子模拟研究气体在含氟聚酰胺酰亚胺膜中的渗透行为

陈瑜  
【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CO_2/CH_4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CO_2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。


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