甲基丙烯酸甲酯-丙烯酰胺杯芳烃聚合物膜的多尺度模拟

摘要

本文应用计算机模拟方法对甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酰胺杯芳烃组成的聚合物膜的质子传输机理进行研究，从三个尺度下(介观、微观和量子)重点考察了溶剂对聚合物膜的微观结构的影响以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)链长及构像对杯芳烃解离能的影响。主要研究内容和结果如下： 构造了代表PMMA、丙烯酰胺杯芳烃以及溶剂的模型分子，建立了相应的化合物模型。确定了DPD计算的截止半径为0.76mm。通过计算各组分之间的内聚能，得到了Flory．Huggins相互作用参数和DPD计算所需的斥力参数。利用耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics，DPD)方法对这个体系进行了介观尺度模拟计算。得到了聚合物膜的介观结构图以及各组分的浓度分布曲线。考察了溶剂在聚合物膜中的分布情况。 根据DPD所得到的浓度分布曲线，利用混合蒙特卡罗方法，映射得到了相应的聚合物膜的微观结构图。采用分子力学和分子动力学方法研究了微观结构下的溶剂的行为。通过聚合物膜的微观结构和径向分布函数分析了溶剂在体系中的存在形式，以及溶剂对膜的微观结构的影响。计算了溶剂在膜中的自扩散系数。结合介观尺度模拟的结果得到，氯仿主要聚集在杯芳烃得周围，并可能以簇的形式存在。随着溶剂含量的增加，形成的簇增大，在膜中形成了微通道。自扩散系数随着溶剂含量的增多而变大。 应用密度泛函法(DFT)和半经验的量子计算方方法(VAMP)计算了聚合物分子中杯芳烃上羟基的解离能，DFT方法中选用了PBE交换相关势能和DNP基组对4个MMA以下的聚合物体系进行计算。半经验方法选用了AMl，PM3，AMl·对相同的体系进行了优化，通过对比两种方法计算出的解离能，得出PM3计算结果与DFT得到的结果最接近。因此选用PM3方法对PMMA链长超过4个小于8个的聚合物体系分别进行了计算。计算结果表明，PMMA的链长对丙烯酰胺杯芳烃的解离能有一定的影响，但是这种影响随着PMMA链长增加而减弱，当链长达到8个时，影响不再明显。同时PMMA的构像对丙烯酰胺杯芳烃的解离能也有一定的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1课题背景

1.1.1质子交换膜的国内外研究进展

1.1.2质子交换膜模拟方法的研究进展

1.2研究方法和研究内容

第2章介观尺度模拟

2.1研究背景

2.1.1耗散粒子动力学(DPD)原理

2.1.2模型选取的原则

2.2计算方法

2.2.1斥力参数α的计算

2.2.2相互作用参数的计算

2.2.3聚合物链长的计算

2.3计算结果与讨论

2.3.1 DPD中组分间的斥力参数

2.3.2含有少量溶剂的聚合物膜的介观结构图

2.3.3含有少量溶剂的聚合物膜的浓度分布曲线

2.3小结

符号表

第3章微观结构模拟

3.1概述

3.1.1分子力场的确定

3.1.2分子动力学原理

3.1.3 Monte Carlo方法原理

3.2模拟步骤

3.2.1 Amorphous模型

3.2.2 Hybrid Monte Carlo参数设置

3.2.3分子动力学参数设置

3.3模拟结果与讨论

3.3.1含少量残留溶剂的聚合物膜微观结构

3.3.2含少量残留溶剂的聚合物膜的径向分布函数和自扩散系数

3.4小结

符号表

第4章量子尺度模拟

4.1研究背景

4.1.1计算聚合物分子的解离能的原理

4.1.2解离能计算的密度泛函法和半经验方法

4.1.3溶剂化能计算原理

4.2计算方法

4.2.1 DFT中参数的选择与设置

4.2.2VAMP中参数的选择与设置

4.3计算结果与讨论

4.3.1DFT计算得到的分子解离能

4.3.2VAMP方法计算得到分子解离能

4.3.3溶剂氯仿存在下的溶剂化能

4.3.4不同PMMA构型对分子解离能的影响

4.4小结

符号表

第5章总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

致谢

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果