Компьютерное моделирование ионообменных мембран на основе сульфированных поли(эфир-эфир кетонов)

• Автор: Веселов, Игорь Николаевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Тверь
• Количество страниц: 105 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.

1 Г лава 1. Обзор литературы

1.1. Топливные элементы.

1.2. Полимерные ионообменные мембраны.

1.2.1. Обзор полимеров, используемых для получения протон

проводящих мембран

1.2.2. Протонный транспорт.

1.2.3. Теоретические модели строения ионообменной мембраны на основе перфорированных сульфокислотных полимеров.

1.2.4. Методы теоретического изучения ионообменных мембран

1.3. Метод молекулярной динамики
1.3.1. Термодинамические ансамбли.
1.3.2. Учет дальнодействующих кулоновских сил по методу Эвальда
1.3.3. Температура и давление.
1.4. Метод диссипативной динамики частиц ДДЧ
1.5. Метод динамической теории функционала плотности
1.5.1. Параметризация молекулярной системы
1.5.2. Взаимосвязь между физическими свойствами реальной макромолекулы и энергией взаимодействия, мезоскопических частиц в методе ДЦФТ.
1.5.3. Функционал свободной энергии системы.
1.5.4. Система динамических уравнений.
1.5.5. Алгоритмическая модель метода ДЦФТ.
Глава2. Модель и расчет параметров взаимодействия
2.1. Модельное представление мембран на основе сульфированных поли эфирэфир кетонов.
2.2. Расчет параметров межмолскулярного взаимодействия
Глава 3. Результаты и обсуждение
3.1. Молекулярнодинамическое моделирование.
3.2. Изучение влияния структуры цепи СПЭЭК па морфологию мембраны методом динамической теории функционала плотности.
32.1. Регулярные сополимеры
1 3.2.2. Влияние нарушения чередования звеньев полимерной цепи на
морфологию мембраны.
3.3. Влияние соотношения длин гидрофильного и гидрофобного блоков на структуру мембраны
Благодарности.
Список литературы


Изучить влияние степени сульфирования полимера и содержания воды в системе на морфологию ионообменной мембраны. Исследовать зависимость морфологии ионообменной мембраны от особенностей химического строения цепи иономера. Для решения задач, сформулированных в диссертации, была задействована концепция миогомасштабиого моделирования, суть которой состоит в использовании комбинированной гибридной схемы компьютерного моделирования. Это означает, что в рамках разрабатываемой модели изучаемого материала строится иерархия различных подходов, каждый из которых ответствен за свой пространственный временной масштаб. Обычно на самом нижнем уровне иерархии располагаются микроскопические методы квантовой механики КМ и квантовой динамики КД. Классические атомистические схемы моделирования включают молекулярную динамику МД и разные расчетные схемы, базирующиеся на использовании метода МонтеКарло МК. На промежуточных молекулярных и мезоскопических масштабах используются такие методы, как стохастическая ланжевенова или броуновская динамика СД, диссипативная динамика частиц ДЦЧ, а также огрубленные схемы МонтеКарло, к которым относятся, например, решеточные модели. Также к этому уровню относят мезоскопические полевые методы, основанные на континуальном описании молекулярной системы метод самосогласованного среднего поля и сш динамические варианты и метод динамической теории функционала плотности i i i далее. ДДФТ Отдельно сюда, можно отнести метод интегральных уравнений теории жидкостей II Ii i и I. Наконец, на самом верхнем этаже многомасштабной расчетной схемы располагаются методы макроскопического описания, свойств . В настоящее время многомасштабное моделирование является общепризнанным подходом, который дает наиболее точное описание свойств полимерных материалов, в том числе ионообменных мембран. Впервые выполнено исследование морфологии протонпроводящей гидратированной мембраны на основе сульфированного полиэфирэфир кетона с номенклатурным названием полиокси1,4фениленокси1,4фениленкарбонил1,4фенилен. Основные расчеты были сделаны в рамках метода динамической теории функционала плотности,, что позволило, наблюдать сложную воднополимерную систему на нанометровом масштабе и временном интервале порядка 3 мкс. Показано, что для формирования оптимальной сети водных канатов требуются высокие степени сульфирования полимерной матрицы . В случае модельной цепи композиционного состава АзВ2х А сульфированные, В несульфированные звенья связанная сеть каналов, пронизывающая мембрану, формируется при малом содержании воды, когда ее объемная доля составляет 5, 9. Зависимость диаметра сеченияводных каналов от содержания воды в системе хорошо описывает основные режимы работы протонпроводящей мембраны, В частности, эта зависимость по насыщающему плато позволяет, определить, при каком содержании воды мембрана будет работать стабильно,. Сравнение морфологии водных каналов мембраны. СПЭЭК построенной на основе цепей состава АзВ и нафиона при одинаковой степени гидратации показывает, что суммарные площади сечения водных каналов для двух систем имеют близкие значения. Исследовано влияние последовательности чередования сульфированных и несульфированных звеньев на морфологию мембраны на примере композиции 328. Обнаружено, что частичное нарушение регулярного строения цепи иономера приводит к небольшому изменению морфологии системы в сравнении с исходным случаем. Полученные результаты моделирования методом диссипативной динамики частиц ДДЧ для случая диблоксополимера показывают, что посредством изменения соотношения длин блоков существует принципиальная возможность получить проникающую по трем независимым направлениям систему водных каналов во всем объеме ионообменной мембраны. Показан возможный путь увеличения ионной проводимости протоннообменной мембраны за счет оптимизации химической структуры полимера на основе общей схемы химическая формуламетодсвойства материала. Данный подход может быть применим к разработке мембранных материалов не только на основе сульфированных пол и эфирэфир кетонов, но и в случае использования других полимеров.