杂化聚酰亚胺膜对CO 2 /N 2 气体渗透性能的模拟

发布时间：2021-08-18 00:54

　　以PMDA-ODA型聚酰亚胺为基本模拟单元,纳米SiO₂颗粒为掺杂剂,采用COMPASS力场为势能模型,运用分子力学、分子动力学以及巨正则蒙特卡洛方法对杂化聚酰亚胺膜（PI）的气体渗透性能进行了模拟研究.构建了含20个单体的等规立构高分子链,经一系列优化处理过程,获取了与实验数据相近的聚合物高分子链结构模型.分子动力学计算获取了CO₂与N₂在PI聚合物中的溶解系数、扩散系数与渗透系数,通过模型中X射线衍射光谱（XRD）确定了体系的真实性,研究发现分子与SiO₂之间的氢键使纳米颗粒在聚合物基体中能够稳定存在,自由体积等参数的计算表明纳米SiO₂的加入提高了膜对CO₂的渗透分离性能. 

【文章来源】：膜科学与技术. 2016,36(06)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

图１ＰＭＤＡ－ＯＤＡ单体和ＳｉＯ２的纳米颗粒的结构图Ｆｉｇ．１ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆＰＭＤＡ－ＯＤＡｍｏｎｏｍｅｒ

第６期朱娜娜等：杂化聚酰亚胺膜对ＣＯ２／Ｎ２气体渗透性能的模拟·４９·的高构象，体系的势能减小，动能变化不大，故总能量大幅降低，为下一步动力学计算提供良好的条件［８］．随后进行了５０ｐｓ的ＮＰＴ与５０ｐｓ的ＮＶＴ动力学优化，使得模型更加接近实际ＰＩ体系，得到最终的轨迹文件，用以预测与分析ＰＩ模拟封装模型的各种性质．图２Ｄｉｓｃｏｖｅｒ动力学模拟中能量随时间变化曲线Ｆｉｇ．２Ｖａｒｉｅｔｙｃｕｒｖｅｏｆｅｎｅｒｇｙｖｅｒｓｕｓｔｉｍｅｆｏｒｄｉｓｃｏｖｅｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ２．２Ｘ射线衍射光谱利用Ｒｅｆｌｅｘ模块进行了粉末衍射，如图３所示．图中不存在很尖锐的峰，衍射峰较宽，说明模拟材料为非晶态．ＸＲＤ图中ＰＩ聚合物的最大衍射角出现在１７°～２０°范围内，与实验值相一致，表明经过一系列退火与动力学优化过程，ＰＩ封装模型体系具有了一定的有序的结构，与实际聚合物体系基本一致［９］．图３ＰＩ模拟结构的ＸＲＤＦｉｇ．３Ｘ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＰＩ２．３自由体积特性自由体积的形态和大小对渗透气分子在聚合物体系中的扩散行为起着非常重要的作用，它为链运动提供了必要的活动空间，并为小分子的扩散提供了空间．通过硬球探针的方法，采用ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕ－ｄｉｏ７．０中的ＡｔｏｍＶｏｌｕｍｅ＆ｓｕｒｆａｃｅ工具，进行膜拟的计算．模拟过程中选取一定半径的球形探针分子沿着聚合物构成原子表面不断滚动，接触点构成Ｃｏｎｎｏｌｌｙ表

变化曲线Ｆｉｇ．２Ｖａｒｉｅｔｙｃｕｒｖｅｏｆｅｎｅｒｇｙｖｅｒｓｕｓｔｉｍｅｆｏｒｄｉｓｃｏｖｅｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ２．２Ｘ射线衍射光谱利用Ｒｅｆｌｅｘ模块进行了粉末衍射，如图３所示．图中不存在很尖锐的峰，衍射峰较宽，说明模拟材料为非晶态．ＸＲＤ图中ＰＩ聚合物的最大衍射角出现在１７°～２０°范围内，与实验值相一致，表明经过一系列退火与动力学优化过程，ＰＩ封装模型体系具有了一定的有序的结构，与实际聚合物体系基本一致［９］．图３ＰＩ模拟结构的ＸＲＤＦｉｇ．３Ｘ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＰＩ２．３自由体积特性自由体积的形态和大小对渗透气分子在聚合物体系中的扩散行为起着非常重要的作用，它为链运动提供了必要的活动空间，并为小分子的扩散提供了空间．通过硬球探针的方法，采用ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕ－ｄｉｏ７．０中的ＡｔｏｍＶｏｌｕｍｅ＆ｓｕｒｆａｃｅ工具，进行膜拟的计算．模拟过程中选取一定半径的球形探针分子沿着聚合物构成原子表面不断滚动，接触点构成Ｃｏｎｎｏｌｌｙ表面，自由体积为Ｃｏｎｎｏｌｌｙ表面包围体积大小［１０］．图４为纯ＰＩ膜与杂化ＰＩ／ＳｉＯ２膜的自由体积分布情况．由图可见，两种聚合物模拟单元的自由体积分布比较均匀，随着无机纳米颗粒的加入，其扰乱了聚酰亚胺分子链紧密有序性，降低了密堆积密度，从而使ＰＩ杂化膜的自由体积分数增加．无机纳米颗粒的加入使得高分子相之间的链相互作用力较小，导致链间距增大，从而使得纳米颗粒杂化聚酰亚


本文编号：3348856