试论系数分子模拟气体在高渗透性膜中扩散溶解行为

论文导读：上,说明分子动力学和蒙特卡洛模拟是有效探讨小分子在聚合物中扩散溶解行为的策略。本论文还建立了SiO2-PTBA杂化膜模型,探讨了SiO2粒子的填充对气体扩散性的影响,结果显示小分子在SiO2-PTBA膜中的扩散系数被不同程度的增加,并随着Si02纳米粒子浓度的增加而增加,Si02纳米粒子的填充能增加聚合物的自由体积,提升PTBA主链的柔性
摘要：本论文通过分子动力学法和和巨正则Monte Carlo (GCMC)法,以COMPASS力场为势能模型,利用Material Studio软件探讨了气体在高渗透性膜中的扩散溶解行为。本论文主要探讨工作包括：小分子气体在纯的和填充了二氧化硅纳米粒子的聚叔丁基乙炔(PTBA)膜中的扩散溶解行为的模拟；聚三硅-1-丙炔(PTMSP)分子结构对气体渗透性影响的分子动力学模拟。本论文首先考察了小分子气体在纯的PTBA膜中的扩散溶解行为,运用自由体积论述探讨了小分子在聚合物内的扩散机理,结果表明：分子越小,其在聚合物内运动范围越大,扩散系数越大。模拟所得的扩散和溶解系数与实验值吻合较好,同时验证了扩散系数与分子有效直径的联系。计算所得渗透系数,与文献报道实验数据在同一数量级上,说明分子动力学和蒙特卡洛模拟是有效探讨小分子在聚合物中扩散溶解行为的策略。本论文还建立了SiO2-PTBA杂化膜模型,探讨了SiO2粒子的填充对气体扩散性的影响,结果显示小分子在SiO2-PTBA膜中的扩散系数被不同程度的增加,并随着Si02纳米粒子浓度的增加而增加,Si02纳米粒子的填充能增加聚合物的自由体积,提升PTBA主链的柔性。本论文最后还进行了PTMSP分子结构对气体渗透性影响的分子动力学模拟探讨,分别探讨了双键、硅原子、三侧基组,单个和大的三硅侧基这些因素对氮气和氩气通过聚合物膜时扩散系数的影响,以而确定了在提升PTMSP膜渗透性上,主链上Si原子的有着,侧基和双键都是必不可少的,自由体积分数不是唯一造成其具有高扩散系数的理由。通过浅析聚合物能量构成项来说明高的自由体积分数,主链上单键周围的高的扭转能垒和高的特殊静电作用对PTMSP膜高的扩散系数是极其重要的。本模拟为探讨分子气体在聚合物膜中的渗透性提供了一种有效的策略,为高渗透性膜材料的制备、合成提供了一定的论述依据。关键词：分子模拟论文扩散系数论文溶解系数论文渗透性论文
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ABSTRACT6-7
第1章 绪论7-13

1.1 引言7

1.2 探讨近况7-11

1.2.1 实验探讨7-8

1.2.2 论述探讨8-11

1.3 本论文探讨的目的与内容11-13

第2章 基础论述13-25

2.1 分子动力学模拟13-19

2.

1.1 基本原理13

2.

1.2 运动方程的数值解法13-15

2.

1.3 常见力场15-17

2.

1.4 能量最小化17-18

2.

1.5 非键截断距离18-19

2.

1.6 周期性边界条件19

2.2 扩散系数19-21

2.1 菲克定律20

2.2 扩散系数的计算策略20-21

2.3 溶解系数和渗透系数21-22

2.4 自由体积22-23

2.5 分子模拟软件23-24

2.6 模拟历程24-25

第3章 小分子气体在聚叔丁基乙炔中扩散溶解行为的分子动力学模拟25-33

3.1 引言25

3.2 论述模型和模拟细节25-26

3.3 结果和讨论26-32

3.1 扩散系数26-30

3.2 溶解系数30-31

3.3 渗透系数31-32

3.4 结论32-33

第4章 小分子在填充聚叔丁基乙炔中扩散的分子动力学模拟33-39

4.1 引言33

4.2 论述模型和模拟细节33-35

4.3 小分子在纯的和填充的PTBA中的扩散35-38

4.

3.1 二氧化硅纳米粒子的浓度对小分子扩散系数的影响36

4.

3.2 二氧化硅粒子对PTBA主链的影响36-37

4.

3.3 自由体积37-38

4.4 结论38-39
第5章 聚三硅-1-丙炔分子结构对气体渗透性影响的分子动力学模拟39-47

5.1 引言39

5.2 计算策略39-41

5.

2.1 模拟细节39-40

5.

2.2 六种不同的聚合物结构40-41

5.3 结果和讨论41-46
5.

3.1 自由体积41-42

5.

3.2 Conolly surface42-46

5.4 结论46-47
第6章 总结47-49
参考文献49-55
硕士期间发表论文55-57
致谢57