检索结果-内蒙古大学图书馆

高分子材料科学与工程 2015年第1期31卷 108-114页

作者：李璐肖南田一农李雁解新安华南农业大学食品学院广东广州510642

以柠檬烯为油相,吐温80为表面活性剂制备微乳,利用拟三元相图研究不同助表面活性剂及其与表面活性剂的不同比值(Km值)对微乳有效区域的影响。结果发现,当油相与表面活性剂之比小于或等于5∶5时,微乳体系可无限增溶,为U型微乳。采用电导... 详细信息

以柠檬烯为油相,吐温80为表面活性剂制备微乳,利用拟三元相图研究不同助表面活性剂及其与表面活性剂的不同比值(Km值)对微乳有效区域的影响。结果发现,当油相与表面活性剂之比小于或等于5∶5时,微乳体系可无限增溶,为U型微乳。采用电导率法、黏度法对U型微乳的水增溶过程进行研究,实验结果发现,当含水量小于40%时,微乳体系为油包水(W/O)型;当含水量为40%~60%时,微乳体系为双连续型;当含水量大于60%时,微乳体系为水包油(O/W)型。利用耗散粒子动力学(DPD)方法对水相增溶过程中微乳体系的微观结构和微乳液滴的形态特征变化进行模拟,模拟结果表明,在水相增溶过程中,微乳体系能够在含水量为40%和60%时发生相的转变,与实验结果较好吻合。

关键词： U型微乳表面活性剂耗散粒子动力学模拟水相增溶

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污染物凝胶的重构及热质传递和污染特性分析

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工程热物理学报 2024年第9期45卷 2814-2821页

作者：王琦张立志华南理工大学电力学院传热强化与过程节能教育部重点实验室广州510641 华南理工大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室广州510641

防凝胶污染是膜脱盐技术的难点之一。本文采用化学交联法对海水淡化实际操作条件下产生的凝胶污染物进行了重构,并对凝胶的各种理化性质进行了测试和表征。重构既解决了真实海水实验时需要长时间运行的缺点,又优化了使用简单自制盐水实... 详细信息

防凝胶污染是膜脱盐技术的难点之一。本文采用化学交联法对海水淡化实际操作条件下产生的凝胶污染物进行了重构,并对凝胶的各种理化性质进行了测试和表征。重构既解决了真实海水实验时需要长时间运行的缺点,又优化了使用简单自制盐水实验时不能有效解释凝胶污染真实特征的问题。测试结果表明,凝胶层的低热导率使膜两侧温差减小,这与凝胶的致密结构共同导致了产水系统阻力的增加。凝胶层的亲水性质和兼具黏弹性的特点,使其具有较强的抗拉压应力和抗冲刷能力,容易黏附在膜表面上。粗粒化模拟所构建的模型可以反应凝胶的部分真实参数,可用于后续计算。

关键词：污染物凝胶重构技术热质传递黏弹性耗散粒子动力学模拟

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双羟基Gemini表面活性剂的溶液性能及其聚集形态

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精细化工 2019年第7期36卷 1340-1345页

作者：钱逢宜李蓉任学宏江南大学生态纺织教育部重点实验室

以1-溴十二烷、2-甲氨基乙醇、1,3-二溴丙烷、1,4-二溴丁烷、1,6-二溴己烷、1,8-二溴辛烷、1,10-二溴癸烷和1,12-二溴十二烷为原料,制得含有双羟基的Gemini表面活性剂〔缩写为12(OH)-s-12(OH),其中s=3、4、6、8、10和12〕。并测定了双羟... 详细信息

以1-溴十二烷、2-甲氨基乙醇、1,3-二溴丙烷、1,4-二溴丁烷、1,6-二溴己烷、1,8-二溴辛烷、1,10-二溴癸烷和1,12-二溴十二烷为原料,制得含有双羟基的Gemini表面活性剂〔缩写为12(OH)-s-12(OH),其中s=3、4、6、8、10和12〕。并测定了双羟基Gemini表面活性剂的热稳定性及其在水溶液中的表面张力及泡沫性能;采用耗散粒子动力学(DPD)方法预测了Gemini表面活性剂在水溶液中的聚集形态。结果表明,该类型Gemini表面活性剂具有较好的热稳定性和泡沫性能,随着连接基团长度的增加(s≤6),其在水溶液中的临界胶束浓度(CMC)从0.62mmol/L(s=3)降至0.21mmol/L(s=6)左右,且当连接基团长度s>6后CMC基本不变。随着Gemini表面活性剂摩尔分数的增加,胶束形态从球状胶束→棒状胶束→层状胶束→反胶束网络结构逐渐转变,且连接基团长度的改变几乎不影响其在水溶液中的胶束形态转变。

关键词： Gemini表面活性剂表面张力泡沫性能耗散粒子动力学模拟聚集形态

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磷脂分子膜的耗散粒子动力学研究

磷脂分子膜的耗散粒子动力学研究

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中国化学会第27届学术年会

作者：陆腾郭洪霞中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室

＜正＞磷脂分子膜在涵盖细胞运动、胞噬作用、胞裂外排、细胞分裂到蛋白质聚集、蛋白质输送的广泛生命活动中扮演了重要的角色[1]。耗散粒子动力学（dissipative particle dynamics,DPD）已被证实

关键词：磷脂生物膜耗散粒子动力学模拟相行为

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磷脂分子膜的耗散粒子动力学研究

磷脂分子膜的耗散粒子动力学研究

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中国化学会第二十七届学术年会

作者：陆腾郭洪霞中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室 100190北京

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界面聚合法聚酰胺分离层形成过程的模拟研究进展

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膜科学与技术 2024年第2期44卷 177-187页

作者：岳钰倩唐元晖李春玉王晓琳林亚凯中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083 清华大学化学工程系膜材料与工程北京市重点实验室北京100084

近年来通过界面聚合(IP)法制备的聚酰胺(PA)薄层复合(TFC)膜广泛应用于纳滤、反渗透等水处理领域.采用IP法制备的PA分离层的形成机理及其动力学研究对TFC膜材料的设计和调控具有关键作用.本文从历史发展和聚合方法两个维度综述了PA分离... 详细信息

近年来通过界面聚合(IP)法制备的聚酰胺(PA)薄层复合(TFC)膜广泛应用于纳滤、反渗透等水处理领域.采用IP法制备的PA分离层的形成机理及其动力学研究对TFC膜材料的设计和调控具有关键作用.本文从历史发展和聚合方法两个维度综述了PA分离层形成过程的模拟研究,具体涉及全原子分子动力学(MD)、粗粒化分子动力学(CGMD)和耗散粒子动力学(DPD)等3种方法.其中,全原子MD模拟采用链交联、单体交联及分级交联等3类方法,以距离准则为成键依据,构建了PA的聚合过程;CGMD方法减少了体系的自由度,得到的构型更加合理;DPD引入了反应概率,得以在更大的时空尺度中研究IP扩散与反应的竞争关系.重点关注IP反应的构建,总结了各模拟方法的特点、发展及其在IP法形成PA分离层中机理解读和性能预测方面的应用.

关键词：界面聚合法聚酰胺分离层分子动力学模拟耗散粒子动力学模拟

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纳米粒子跨膜运输动力学机理研究

纳米粒子跨膜运输动力学机理研究

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作者：李晔北京化工大学

学位级别：博士

生物膜作为细胞的天然屏障,能选择性调控物质的跨膜运输,参与细胞的胞吞、胞吐、信号传导等重要细胞活动。因此,研究物质跨膜运输的动力学过程对细胞生物学乃至生物医药应用都具有重要的价值。近年来,随着计算机技术的迅猛发展,分子模... 详细信息

生物膜作为细胞的天然屏障,能选择性调控物质的跨膜运输,参与细胞的胞吞、胞吐、信号传导等重要细胞活动。因此,研究物质跨膜运输的动力学过程对细胞生物学乃至生物医药应用都具有重要的价值。近年来,随着计算机技术的迅猛发展,分子模拟技术凸显优势,能够实现对生物膜体系的相关研究。基于此本论文采用分子动力学模拟方法,以纳米粒子跨膜运输的动力学过程为研究对象,对不同性质的纳米粒子跨膜运输的机理进行了系统而详细的研究。本论文的主要研究内容和创新点如下1纳米粒子的形状对其内吞动力学的影响。研究了长圆柱形状、短圆柱形状、圆盘形状以及球形纳米粒子的内吞动力学过程,发现旋转是形状各向异性的纳米粒子内吞过程的一个重要特征。通常纳米粒子的内吞过程分为两个阶段：下陷阶段和包裹阶段。在下陷过程中,为了促进配受体的结合,纳米粒子会通过旋转实现和细胞膜接触面积最大化。在包裹过程中,为了克服较小的弯曲能,细胞膜会进一步调节纳米粒子发生旋转。因此不同形状的纳米粒子在两个阶段均具有各自最适宜的下陷角度和包裹角度。研究结果表明形状各向异性的纳米粒子还会诱发膜的非对称性包裹内吞。2纳米粒子的表面配体分布对其穿膜的影响。设计了三种不同配体图案(即,条纹图案的、补丁图案的以及随机图案)的纳米粒子并研究了它们的穿膜行为。发现当纳米粒子的尺寸和亲疏水配体比例相同时,亲水配体以较分散的方式分布在纳米粒子表面能有效降低纳米粒子的穿膜能垒,提高纳米粒子的穿膜能力。而对于多个亲水条纹带较宽的纳米粒子共同穿膜时,容易诱发细胞膜的破裂,进而产生细胞毒性。3纳米粒子的硬度对其内在化路径的影响。我们设计了三种不同硬度的纳米粒子(即,聚合物、脂质体、以及刚性的纳米粒子),并研究其内在化的机理。结果显示刚性的纳米粒子能以内吞的方式进入细胞,而软的纳米粒子的内吞路径却受受到了限制。因为软的纳米粒子在内吞过程中容易变形且配体容易分布不均匀。软的纳米粒子主要是以穿膜的方式进入细胞,且在穿膜过程中伴随着亲疏水片段的重排。4纳米粒子的带电性质对其与生物膜相互作用的影响。(1)不同带电图案的纳米粒子在生物膜表面的聚集。设计了5种不同带电图案的纳米粒子。研究发现纳米粒子的尺寸和带电图案都会影响其聚集行为。结果显示由静电作用诱发的纳米粒子的聚集需要最小的有效带电区域。当纳米粒子表面局部带电区域小于有效的带电区域时,则不能诱发纳米粒子的聚集。此外,纳米粒子表面的带电图案也会影响纳米粒子的聚集结构。因此对于不同的生物应用,可以通过调节纳米粒子表面的电荷分布,实现对纳米粒子聚集形式的调控。(2)膜电势对带电纳米粒子在细胞膜表面的粘附的影响。在真实细胞中,细胞膜内外常常存在膜电势,为此我们研究了膜电势对带电纳米粒子在细胞膜表面的粘附的影响。研究结果发现降低膜电势,会使阴离子纳米粒子在生物膜表面的粘附数量减少,而对阳离子纳米粒子在生物膜表面的粘附影响不大。这主要是由于阴离子纳米粒子在生物膜表面的粘附主要是膜电势诱导的,而阳离子纳米粒子在生物膜表面的粘附主要是受膜表面带负电的膜蛋白的作用。(3)多个带电纳米粒子的内吞路径。研究发现虽然同种电荷的纳米粒子之间存在静电排斥力,但仍然以协同的方式被膜共同包裹内吞。这主要是由膜的弯曲能诱发的同种电荷纳米粒子之间的吸引。同时,带电纳米粒子的内吞路径主要受到纳米粒子的尺寸、纳米粒子表面带电配体的密度、以及纳米粒子间的距离的影响。对于多个小尺寸的带电纳米粒子,主要是以协同内吞的方式进入细胞。而对于大尺寸的带电纳米粒子,纳米粒子能否协同内吞取决于纳米粒子带电配体的密度以及纳米粒子之间的初始间距。5具有高效穿膜能力的穿膜聚合物的设计。基于以上的研究以及结合穿膜肽亲疏水的结构特性,我们设计出一种高效的穿膜聚合物。其中穿膜聚合物具有亲疏水间隔的链状结构。当穿膜聚合物的疏水片段长度接近膜厚时,其具有高效的穿膜能力。穿膜聚合物的穿膜方式主要是：“拉链式”和“协同方式”。通过将穿膜聚合物嫁接在亲水药物表面,发现穿膜聚合物能有效的协助亲水药物穿透生物膜。6膜蛋白的聚集机理。膜蛋白作为生物膜的重要组成部分,对物质的运输,信号的传导,膜的变形等起着重要的作用。为此,我们研究了膜蛋白的聚集机理。继“亲疏水不匹配”聚集机理和“静电作用”聚集机理之后,提出膜蛋白“形状的互补性”也是诱发其聚集的一个重要原因。当形状互补的两个膜蛋白相互靠近时,膜蛋白之间的磷脂的构型熵会受到限制,因此磷脂会趋于离开膜蛋白之间的狭缝区域,而等效地诱导膜蛋白的聚集。

关键词：耗散粒子动力学模拟生物膜纳米粒子跨膜运输膜蛋白聚集

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嵌段共聚物非平衡态耗散自组装的粗粒化模拟研究

嵌段共聚物非平衡态耗散自组装的粗粒化模拟研究

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作者：许多吉林大学

学位级别：博士

嵌段共聚物在组装过程中可以发生微观相分离行为,进而获得具有丰富结构的功能性材料,因此在很多领域具有非常广泛的应用。然而,在自然界和生物体内,很多生命功能的执行,例如DNA自我修复、信号转导等,都依赖于耗散自组装。受自然界启发,... 详细信息

嵌段共聚物在组装过程中可以发生微观相分离行为,进而获得具有丰富结构的功能性材料,因此在很多领域具有非常广泛的应用。然而,在自然界和生物体内,很多生命功能的执行,例如DNA自我修复、信号转导等,都依赖于耗散自组装。受自然界启发,研究者们将耗散自组装的策略应用于实验中,实现更多具有复杂结构的功能性材料的制备。在耗散自组装过程中,体系必须依托外界能量的持续输入和耗散,强制体系远离最小能量的稳态,表现出瞬态独特的远离平衡态的组装结构,这些可能是热力学亚稳态的结构,是在平衡自组装中无法得到的。现有基于聚合物体系的研究,大多是采用“燃料”分子驱动的耗散自组装这一种策略,得到的结构比较单一。因此,在本论文中,我们提出了两种可以应用于聚合物体系的耗散自组装策略,分别为可逆化学反应调控熵变驱动的耗散自组装和周期性外场调控焓变驱动的耗散自组装,并通过理论推导,研究在不同频率的外力驱动下,耗散自组装体系呈现的普适规律。本论文的工作主要包括三方面:（1）可逆化学反应调控熵变驱动的耗散自组装。在聚合物体系内,由于链自身的形变能力,一条聚合物链存在着非常巨大的微观状态数,使得聚合物有着非常可观的构象熵。通过调控体系熵变作为驱动力,对于理解和设计聚合物体系的耗散自组装,有着非常重要的意义。因此,我们通过耗散粒子动力学的方法,探究了可逆化学反应调控两亲性嵌段共聚物耗散自组装策略。周期性调控可逆化学反应进行的方向,获得了热力学亚稳态,带孔的囊泡结构。该结构为囊泡内容物的可控释放提供了新的想法和策略。我们证明了可逆反应类型和反应周期对耗散结构具有十分重要的影响。合适的可逆反应类型和短的反应周期是自组装形成独特耗散结构的必要条件。在耗散组装过程中,组装基元的组分比成为了时变参量,为了更加定量的理解耗散组装过程,我们定义了组分比P,并探究了P、反应速率和组装结构之间的关系。耗散组装过程中时变参量P稳定值小于0.4,是得到带孔囊泡的重要前提。由于体系存在反应和扩散的竞争,通过定义扩散相关量Pdif _f,可以将反应与扩散作用进行定性比较。Pdiff小于反应概率Pr,是得到带孔囊泡的基本条件。组分比P和扩散概率Pdiff均为实验中可以测量的参量,这为实验上设计及合成类似的嵌段共聚物自组装体系提供了极大方便。该工作促进了化学反应调控耗散自组装的发展,为高效制备新型纳米材料提供了新的思路和途径。（2）周期性外场调控焓变驱动的耗散自组装。由于实验操作方便,外场是作为能量输入诱导耗散自组装的重要方式,常用的外场有电场,磁场,流场,光场等。在聚合物体系中,应用外场驱动的耗散自组装策略,对于构建新型智能响应材料有着十分重要的意义。因此,我们提出了周期性外场调控焓变驱动的耗散自组装策略,获得了三维凝胶、球状胶束和层状结构之间转变的“三合一”刺激响应材料。我们证明了在耗散组装过程中,只有在高频外场调控下,才能获得耗散稳态结构。此外,我们探究了聚合物体系中,外场振荡高频的定义。我们将体系耗散稳态开始不随频率升高而变化时的频率定义为临界频率。当外场频率高过临界频率时,耗散组装体系都表现出高频的行为。另外,在相同有效作用势的情况下,能量输入功率几乎不影响得到的耗散稳态结构,但是小功率会增加体系松弛到耗散稳态的松弛时间。在实验中,高功率的能量输入更有利于快速得到耗散稳态结构。最后,我们证实了该策略可以在20%至40%的浓度范围内应用,这使得在实验中实现外场驱动的耗散自组装策略,不需要精确的浓度,操作也更加方便。该工作促进了具有可控结构的刺激响应材料的设计和构建,并增进了聚合物体系中周期性过程驱动的耗散自组装的理解。（3）耗散自组装的理论解释和模型验证。频率是影响耗散自组装的关键因素,因此,探究不同频率下耗散组装的普适行为具有重要的意义。我们从运动方程出发,结合Floquet理论,构建了周期性外场驱动耗散自组装的一般理论,并通过嵌段共聚物模型体系的分子模拟,对理论预测的结果进行了验证。理论推导结果表明,外场形式和波形都会对耗散组装体系产生影响。坐标依赖的外场有利于获得更丰富的耗散结构。相较于方波,余弦波形可以在较低的频率下达到有效作用势决定的耗散结构。我们从理论上证明了体系在有限频率振荡下的响应模式。随着频率?的增加,体系的演化以1/?的标度逐渐接近有效作用势决定的耗散组装结构,振幅的变化标度也是如此。除此之外,当外场的振荡频率达到高频时,体系的耗散稳态是由不依赖时间的有效刘维尔算子主导的,而且随着频率的升高,以1/?2的标度逐渐收敛到有效作用势描述的态。因此,在周期性外力的驱动下,随着频率的升高,体系会首先松弛到平均势所控制的状态,并伴随周期性的振荡。随着频率的进一步增高,微小振荡逐渐消失。我们的理论框架为理解周期性外场驱动的动态行为提供了指导,并促进了耗散自组装系统的设计和构建。

关键词：耗散自组装嵌段共聚物非平衡态耗散粒子动力学模拟

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超分子界面聚合的理论模拟研究

超分子界面聚合的理论模拟研究

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作者：邢继媛吉林大学

学位级别：博士

超分子聚合物由于其分子内非共价键的存在,使其具有传统聚合物所不具备的特性,比如可逆、可降解、具有自修复功能和刺激响应性。因此在材料领域、生物医药等领域有广泛应用。对于超分子聚合物的制备来说,目前主要有两种策略,一种方法是... 详细信息

超分子聚合物由于其分子内非共价键的存在,使其具有传统聚合物所不具备的特性,比如可逆、可降解、具有自修复功能和刺激响应性。因此在材料领域、生物医药等领域有广泛应用。对于超分子聚合物的制备来说,目前主要有两种策略,一种方法是先通过共价聚合合成具有双官能度的单体,再通过单体间超分子聚合来制备超分子聚合物。另一种方法是超分子单体的共价聚合,也就是先通过非共价键作用合成超分子单体,再进一步通过超分子单体的共价聚合制备超分子聚合物。后者在可控聚合方面更具优势。如果两种反应单体之间是不相容的,就无法通过溶液聚合方法进行制备。此种条件下,界面聚合的方法可以用来制备超分子聚合物。已有研究利用超分子单体界面聚合方法成功地制备出了超分子聚合物,而且发现界面聚合可以获得比溶液聚合更高分子量的产物。目前为止,虽然超分子界面聚合研究已经取得了很大地研究进展,但仍有一些科学问题有待于进一步明确,比如高分子物理理论是否适用于超分子聚合物?超分子聚合的形成过程如何?众所周知,聚合产物的分子量分布是至关重要的,它会影响到聚合物的机械性能、加工性能以及相分离行为等,那么如何精确调控超分子聚合物的分子量及其分布仍没有明确的定论。此外,目前为止对超分子界面聚合的理论模拟工作还非常少,这也阻碍了我们从微观的视角去深刻认识界面聚合的动力学过程。这些挑战势必会影响到我们对超分子界面聚合全面且综合的理解。基于以上研究背景,本文通过计算机模拟技术,采用耗散粒子动力学模拟方法与随机反应模型相结合探究了超分子单体在液-液二维界面发生的超分子界面聚合反应。提到界面聚合,我们很容易联想到乳液界面聚合,因为在相同情况下,乳液体系的液-液接触面积要明显大于二维界面体系,因此乳液界面聚合可以获得更高的产率。而且通过乳液界面聚合制备的具有纳米尺寸和中空结构的纳米胶囊在材料科学和医用科学领域也有广泛应用。因此,我们进一步开展了超分子乳液界面聚合的工作。在上述两个研究体系中,我们均在界面处成功地制备了超分子聚合物,并且对其形成理论、过程以及制备产物的分子量分布进行了分析。具体研究内容如下:(1)超分子二维界面聚合(oil-water)。我们首先对超分子界面聚合和溶液聚合进行了对比研究,发现界面聚合可以制备出比溶液聚合更高分子量的产物,该结果很好地再现了实验上观察到的结果。探究了不同反应时刻聚合度的增长情况,发现超分子界面聚合仍然遵从二级反应动力学特征。我们还发现,在聚合反应的不同阶段,聚合产物的分子量分布均可以拟合到Flory分布上。除此之外,探究了反应单体浓度以及溶剂不相容性对聚合反应的影响,发现选择合适的反应单体浓度和合适的溶剂均有利于得到较高分子量的产物。通过这些研究结果,我们提出了改进超分子界面聚合实验技术的优化方案,这不仅可以为更好地设计新的超分子体系提供理论指导,并且能够为进一步合成更高分子量的超分子聚合物提供研究思路。(2)超分子乳液界面聚合(oil-in-water)。我们对超分子乳液界面聚合和超分子二维界面聚合进行了对比研究,发现乳液界面聚合可以获得比二维界面聚合更高的产率。但由于其具有明显的界面曲率,前者聚合产物的平均链长反而低于后者。探究了两相反应单体浓度、化学计量比对聚合反应的影响,发现反应单体浓度不仅对聚合产物有影响,也会进一步影响到乳液的构象以及其在实际中应用,例如药物的释放速率和渗透率。系统地研究了不同尺寸乳液体系产物的分子量分布情况,发现乳液界面聚合产物的分子量分布偏离Flory分布形式,这可能是因为乳液曲率对聚合反应速率产生的减慢作用,进一步影响了聚合产物在界面处的生长。此外,我们研究了乳液尺寸符合高斯分布形式下体系产物的分子量分布情况,由此可以根据乳液体系尺寸分布形式进一步对其产物的分子量分布进行预测。这部分的研究有助于更好地理解超分子乳液界面聚合中影响聚合产物聚合度和分子量分布的热力学和动力学因素,从而为实验人员精确控制超分子材料提供理论指导。

关键词：超分子聚合物超分子界面聚合超分子乳液界面聚合分子量分布耗散粒子动力学模拟

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海水淡化透湿膜热质传递过程的分子动力学模拟与性能调控

海水淡化透湿膜热质传递过程的分子动力学模拟与性能调控

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作者：曾思华南理工大学

学位级别：博士

多孔膜材料广泛存在于自然界和工业生产各领域,因其体材类似于海绵层且具有筛选作用,故应用于化石原料开采、建材保温隔热、农副产品干燥、催化反应和水处理等领域。因此,对膜材料的热质传递机理进行研究,有利于促进工农业的发展、节约... 详细信息

多孔膜材料广泛存在于自然界和工业生产各领域,因其体材类似于海绵层且具有筛选作用,故应用于化石原料开采、建材保温隔热、农副产品干燥、催化反应和水处理等领域。因此,对膜材料的热质传递机理进行研究,有利于促进工农业的发展、节约资源、造福人类。目前对于膜材料的研究更多集中于运用实验手段对复合材料进行配比改性,其主要缺点是不确定性因素多,研发周期长、无法预测新材料的性能,尤其对微介观尺度下材料内部的热质传递机理尚不明确。本文则以加湿-除湿海水淡化过程中用到的多孔膜为例,具体以PVDF/Si O2气凝胶、GO-PVP/PVDF复合膜为例子,分别从微观和介观尺度出发,构建了所制备的复合膜的多尺度模型,并对复合膜的导热性能和水分子渗透机理进行了研究。依据所建立的微介观模型,对官能团和材料配比进行了调控,从而改善膜的热质传递性能。本文的主要工作则从以下几个方面展开:（1）针对PVDF/Si O2复合膜,基于交联算法运用原硅酸单体构建了二氧化硅气凝胶分子模型。同时构建了接枝有不同类别官能团（羟基和甲基）和不同比例含量（40%,60%,80%,100%羟基）的PVDF/Si O2界面模型和PVDF材料模型。对所建模型进行反扰动非平衡分子动力学模拟（RNEMD）,获得界面模型沿膜厚方向的温度分布和界面热阻。为了揭示界面热阻背后的物理意义,研究了界面处不同材料的原子振动态密度分布函数（VDOS）。发现当羟基含量为58%时,界面处两种材料的原子振动频率匹配系数最差,不利于热量传递,此时整个复合膜的热导率最低。复合膜的水分子渗透性能的强弱则通过观测水分子在复合膜内部扩散路径的均方位移（MSD）来评价。以上所建模型均只是针对多孔材料中固相部分,要揭示多孔膜整体的性能,需结合孔隙中的传递方程,建立一个固-气多尺度多孔介质数学模型,来获得真实材料的导热和传质系数。（2）针对GO-PVP/PVDF复合膜,构建了（GO-PVP,GO-PVDF,PVDF-PVP,GO-GO）四种不同界面模型,并研究了各界面对整个复合膜的热质传输性能的影响。并基于多尺度多孔介质模型和单元电阻模型建立了不同GO比重下（17%,50%,67%,80%）复合膜热质传递的多尺度模型。研究了四种不同界面,不同GO比例,不同官能团（-O-,-OH,ODA）和GO不同氧化程度对复合膜的传热传质性能的影响,同时研究了膜表面的亲疏水性能。为了揭示石墨烯表面六元环结构的透湿机理,运用基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）计算了水分子到达石墨烯六元环表面所需能量为41.6 e V。接枝有其它官能团所需能量值分别为:-O-（37.2e V）,-OH（30.8e V）,ODA（27.6e V）,这远大于热能所能提供的能量（2.5e V）。因此,制备了一种新型多孔GO-PVP/PVDF复合膜,水分子可直接穿透GO材料本体孔洞,透湿性能提高了38%。（3）建立了复合膜热质传递的粗粒化模型。为了能构建具有真实粗糙度表面的模型,提出了一种基于耗散分子动力学（DPD）的“模板法”来构建模拟对象的粗粒化介观尺度模型方法。即依据实验所测的偏度（Skewness,Sk）、峰度（Kurtosis,K）和标准偏差（Standard deviation,Rq）,运用快速傅里叶交换法和Johnson转换系统来重构、获取粗糙界面处各个珠子的坐标。（4）构建了GO-PVP/PVDF粗粒化模型,依据保守力参数和Flory-Huggins相互作用参数之间的关系建立了材料各珠子的力场。根据介观模拟方法和理论,研究了接枝有不同官能团和不同接枝率下GO在PVP中的分散特性,和粗糙接触面对复合膜热导率和扩散系数的影响规律,以及体材料中纳米流道水分子的渗透特性。并对形变下的PVDF膜的传热传质性能也进行了分析。综上所述,本文旨在通过分子模拟并经试验验证,从微观-介观-宏观尺度对用于海水淡化的透湿膜材料的热质传递机理进行研究,为膜性能调控提供理论指导和建议。

关键词：多孔膜界面传热传质分子动力学模拟耗散粒子动力学模拟

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