嵌段聚合物自组装形成多孔膜的计算机模拟研究

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1、硕士学位论文嵌段聚合物自组装形成多孔膜的计算机模拟研究作者姓名王楚学科专业化学工程指导教师周健教授所在学院化学与化工学院论文提交日期2018年4月ComputerSimulationsonthePorousMembraneFormationbyblockpolymerself-assembleADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangChuSupervisor：Prof.ZhouJianSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：O631.1+3学校代号：105

2、61学号：201520118095华南理工大学硕士学位论文嵌段聚合物自组装形成多孔膜的计算机模拟研究作者姓名：王楚指导教师姓名、职称：周健教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：化学工程研究方向：化学产品工程论文提交日期：2018年4月24日论文答辩日期：2018年6月4日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：董新法委员：阮复昌周健李理波摘要近年来，聚合物多孔膜由于其应用领域广、可塑性强越来越受到膜科学界的重视。实验方法研究已获得一定的进展，利用模拟手段研究成膜的机理以及规律能够帮助实验解释微观现象并且辅助实验做定向的预测。本文利用耗散粒子动力学模拟以及多体

3、耗散粒子动力学模拟方法分别研究聚合物在溶剂的诱导下的相变行为以及各种影响因素导致自组装结果变化的规律。首先，我们以PS-P4VP双嵌段共聚物为研究对象，利用溶剂置换的方法模拟了非溶剂诱导相分离法制备多孔膜的过程。通过探讨聚合物浓度、溶剂置换速率以及嵌段比例三种因素对成孔的影响，得出了成膜规律并揭示了非溶剂诱导相分离的原理。非溶剂诱导相分离的模拟，主要通过非溶剂置换聚合物混合溶液中的良溶剂，从而导致原来的均相溶液微相分离形成聚合物相和溶剂相。若聚合物浓度过高，相分离微弱，则得不到孔状结构；而浓度过低，会导致剧烈相分离，而得到薄片甚至球状结构。嵌段聚合物与溶剂的亲疏性不同，嵌段比例也影响聚合

4、物的分布状态。溶剂置换速率影响了聚合物孔的聚集程度：过快的速率导致孔分散；过慢会得到闭孔结构；只有在合适的溶剂置换速率下才能形成通道孔结构。从以上发现可以知道非溶剂诱导自组装成膜的规律，进而我们以三嵌段聚合物（PS-PAA-PEO）为研究对象，探讨其pH响应性以及选择透过性试验。研究发现，在酸性条件下，聚合物链PAA的链长变化对成膜后的孔径并无影响；但在中性条件下，PAA完全解离，当链长越长时所得的孔径越小。溶液从酸性逐渐转变为中性时，PAA逐渐解离，聚合物链慢慢舒张从而将孔道闭合，由此得到了随pH响应性的智能“开-关”聚合物多孔膜。我们进一步探讨了不同“开-关”程度下的通道孔对刚性球体

5、的截留效果，结果表明该聚合物多孔膜具有尺寸选择性截留的特点。最后，我们用多体耗散粒子动力学方法来模拟溶剂蒸发诱导相分离制备聚合物多孔膜的过程。通过探讨聚合物浓度、溶剂的选择性和嵌段比例三种因素对聚合物自组装的影响，建立了三因素共同影响下的结构分布图。聚合物浓度对聚合物自组装结果的影响最大，当浓度从高至低时，结构从层状转变为孔状、棒状甚至球状。溶剂的选择性和嵌段比例影响的是聚合物的分布情况以及结构的微小变化。不同结构有不同的形成规律，其应用领域也不同。关键词：多孔膜；微相分离；耗散粒子动力学；自组装；嵌段聚合物IAbstractRecently,polymermembraneshavega

6、inedmoreandmoreattentionsbyacademiaandindustrysinceitswiderangeofapplicationsandeasygraftingmodification.Usingsimulationmethodstostudythemechanismandlawsofmembraneformationisusefultoexplainthemicroscopicphenomenainexperimentsandprovideexperimentalguidance.Inthisthesis,weusedissipativeparticledyna

7、mics(DPD)andmulti-bodydissipativeparticledynamicsmethods(MDPD)tostudytheprocessofpolymerself-assemblingintoporousmembraneandthemechanismofmicro-phaseseparationinducedbynon-solvent.Firstly,DPDwasusedtosimulatethepolysty