[發明專利]一種分析水溶性單體在凝膠膜中擴散性質的模擬方法

有效

• 申請號: 201910859102.1
• 申請日: 2019-09-11
• 公開（公告）號: CN110556168B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 麥兆環;桂雙林;熊繼海;吳九九;閆冰;江成;易其臻
• 申請（專利權）人: 江西省科學院能源研究所
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C20/00
• 代理公司: 北京市盈科律師事務所 11344
• 代理人: 陳琳

本發明屬于環境材料領域，公開一種分析水溶性單體在凝膠膜中擴散性質的模擬方法，具體步驟如下：1）選取需模擬分析的凝膠膜材料和水溶性單體；2）構建初始模型；3）對凝膠膜體系分子動力學模型進行優化；4）對優化后的模型進行分子動力學模擬；5）繪制MSD?t曲線；6）計算獲得該水溶性單體分子在凝膠膜體系中的擴散系數。本發明在分子水平上分析水溶性單體分子在凝膠膜體系中擴散性能，能夠定量得到水溶性單體分子在凝膠膜體系中的擴散系數進而獲知水凝膠對界面聚合反應的影響，為水凝膠制備高性能膜材料提供數據支撐。

技術領域

本發明屬于環境材料領域，具體涉及一種高性能膜材料制備中分析水溶性單體在凝膠膜中擴散性質的模擬方法。

背景技術

隨著水資源短缺、水體污染日益嚴重等問題的出現，膜分離技術作為污水處理、海水淡化、苦咸水脫鹽的經濟、高效技術之一，具有廣闊的市場應用前景。膜材料作為膜分離技術的核心，將直接影響膜分離性能以及膜技術的應用。高性能膜材料的制備，是工業界和學術界不斷開發和研究的熱點。目前商業化的反滲透膜、納濾膜和耐有機溶劑納濾復合膜通常由水相中的水溶性單體和油相中的多元酰氯單體在基膜表面發生界面聚合反應形成聚酰胺選擇性分離層而制備所得。界面聚合過程中，單體濃度、反應時間以及基膜結構是影響最終制備的聚酰胺復合膜性能的關鍵因素。

近來，研究學者通過在反應溶液中添加高分子聚合物(如：Kevlar纖維)形成凝膠膜，取代了常規的超濾基膜，制備出超薄且性能優越的聚酰胺復合膜。雖然人們在新型膜材料的合成和膜材料的改性方面取得了巨大的進展，但是在高性能膜材料的制備過程中，對于界面聚合反應的微觀結構性質和機理仍缺乏足夠的研究和解釋，使得制備過程中帶有一定的盲目性。因此對于界面聚合反應制備高性能復合膜過程中的微觀結構特征和機理的研究非常重要。

目前，廣泛應用的實驗表征方法表征及檢測方法(如SEM,TEM,AFM等)難以滿足原子分子水平上定量分析水溶性單體在凝膠膜體系以及界面聚合的表面微觀特性和動態變化過程的要求，也難以解釋分子原子水平的界面聚合機理。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供一種分析水溶性單體在凝膠膜中擴散性質的模擬方法。本通過分子動力學模擬的方法計算出水溶性單體在凝膠膜體系中的擴散系數，可為探索凝膠體系對界面聚合反應以及膜分離性能的影響提供理論依據，為水凝膠制備高性能膜材料提供數據支撐。

本發明具體技術方案如下：

包括以下步驟：

1)選取需模擬分析的凝膠膜材料和水溶性單體；

2)構建初始模型

通過Materials Studio軟件構建待模擬的凝膠膜體系的分子動力學模型，得到構型文件；

3)對凝膠膜體系分子動力學模型進行優化

采用能量最小化方法對步驟2)中建立的凝膠膜體系的分子動力學模型進行優化；

4)對優化后的模型進行分子動力學模擬

對優化后的模型依次進行NVT、NPT和NVT分子動力學模擬，得到水溶性單體分子在凝膠膜體系中的運動軌跡文件及均方位移MSD數據；

5)繪制MSD-t曲線

將模擬所得到的運動軌跡文件及MSD數據與時間對應繪制做圖，得到MSD-t曲線；

6)計算獲得該水溶性單體分子在凝膠膜體系中的擴散系數

對MSD-t曲線進行線性擬合，求解擬合曲線的斜率，通過愛因斯坦擴散方程計算水溶性單體分子在凝膠膜體系中的擴散系數。

進一步的，所述的步驟2)中，具體方法為：