侧基调控聚醚酰亚胺气体渗透性能的分子模拟

发布时间：2020-05-11 23:31

【摘要】：气体分离膜技术于20世纪70年代成功实现工业化,具有投资低、操作灵活、占地少、运行稳定、能耗低等优点而受到广泛关注。膜是气体分离膜装置的核心部件。工业上大规模用于气体分离的膜材质以高分子材料为主,常见的高分子膜材料分为橡胶态聚合物和玻璃态聚合物。玻璃态聚合物制备的膜具有较好的选择性而应用广泛,但其渗透性较低。对玻璃态聚合物膜材料进行改性,提升气体分离性能有利于促进膜材料的研究开发。本文利用分子模拟研究侧基修饰聚醚酰亚胺(PEI)对CO_2、O_2、N_2和CH_4溶解度系数及扩散系数的影响。采用Materials Studio 2017构建PEI的堆积结构,对初始构型优化过程中发现聚合物链随时间的演变出现两种结果:紧密堆积与非紧密堆积。两种堆积方式经压缩与释放过程处理后得到最终构型。计算两种堆积方式最终构型的密度、玻璃化转变温度及CO_2、O_2、N_2和CH_4的扩散系数;并将结果与实验数据进行对比,验证了模拟的PEI链紧密堆积更符合实际情形。采用Gaussian 09计算CO_2、O_2、N_2和CH_4与官能团原子的范德华表面穿透距离(结合Multiwfn对波函数分析及VMD的可视化功能)及它们与官能团之间弱相互作用的键能(需进行BSSE校正),根据计算结果选择苯环结构作为侧基基团且以醚氧键的连接方式对PEI进行修饰。当苯环或者联苯作为侧基基团修饰PEI时,CO_2、O_2、N_2及CH_4的溶解度系数和扩散系数都减小。当三蝶烯作为侧基基团修饰PEI时,CO_2、O_2、N_2及CH_4的溶解度系数分别增加141.1%、43.3%、52.7%和37.2%;它们的扩散系数分别增加25.0%、37.9%、39.4%和88.9%。侧基体积较小时,会对聚合物链形成的空隙进行填充而阻碍气体的扩散且减小气体的吸附位置;大侧基进行修饰时,增加聚合物链之间的空隙为气体扩散提供更多通道且增加气体的吸附位置。进一步增加侧基刚性,O_2、N_2及CH_4的溶解度系数及扩散系数都增大;CO_2与增加侧基刚性的聚合物链之间弱相互作用较强,CO_2的溶解度系数增加显著,相应的也对CO_2扩散产生较大的束缚,因而扩散系数有所降低。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ028.8

【参考文献】