聚偏氟乙烯(PVDF)改性材料表面润湿及传递机理的计算机模拟研究

Polyvinylidene fluoride (PVDF), which shows good chemical stability, heat resistance and mechanical stability, is an excellent membrane materials. To improve the anti-fouling ability of PVDF by hydrophilic modification is a focus issue in the field of Membrane Science. However, to explain the correlation between microstructure of membrane surface and hydrophilic of membrane, to understand the association between microstructure of membrane surface and anti-fouling ability in theory are still uncertain. Based on statistical mechanics, the molecular Simulations(MS),three dimensional-density function theory(3D-DFT) and three-dimensional reference interaction site model(3D-RISM) provide new ideas and methods for studying the surface properties of PVDF. Molecular simulations are carried out to study the surface properties of modified PVDF. The group type, density, length of graft chain, density of graft chain and other factors, which can affect the thermodynamics and kinetics on PVDF surface, are considered. Through simulations, the correlation of microscopic molecular structure of membrane surface with the hydrophilic property of membrane, the mechanism of structure of membrane surface with the hydrodynamics of membrane in nanoscale, are analyzed and explained. The 3D-DFT, 3D-RISM and experimental studies of corresponding materials, which have relationships with simulations, are carried out simultaneously. Simulation, theory calculation and experiments will contribute to the development of new PVDF materials together.

聚偏氟乙烯(PVDF)，具有良好的化学稳定性、耐热性、机械稳定性，是一种性能优良的新型聚合物膜材料。对PVDF进行亲水化改性，提高材料的抗污染能力是膜科学领域的热点问题。然而，从理论上解释膜材料表面微观结构同膜亲水性、抗污染能力间的关联机制，仍有待研究。以统计力学为基础的分子模拟技术、三维密度泛函理论和三维参考作用点积分方程理论为研究高分子材料的表面性质提供了新的思路和方法。通过分子模拟技术，对PVDF改性材料的表面性质进行系统研究，从微观分子尺度探究材料表面改性基团种类、密度以及接枝链的长度、密度等因素对PVDF材料表面动力学、热力学性质的影响，解析膜表面的微观分子结构同膜的亲水性、纳米尺度下流体动力学性质的关联。开展分子模拟的同时，开展相关体系的3D-RISM、3D-DFT理论计算和实验研究工作，理论模拟、计算与实验相辅相成，为新型PVDF膜材料的研制和开发贡献力量。

聚偏氟乙烯(PVDF)，具有良好的化学稳定性、耐热性、机械稳定性，是一种性能优良的新型聚合物膜材料。对PVDF进行亲水化改性，提高材料的抗污染能力是膜科学领域的热点问题。然而，从理论上解释膜材料表面微观结构同膜亲水性、抗污染能力间的关联机制，仍有待研究。随着计算机软件和硬件技术的快速发展，分子动力学技术成为研究材料微观结构与性质关联的重要方法。.本课题用分子动力学模拟方法，构建了PVDF模型，并对流体在纳米级PVDF膜通道内的运动过程进行了模拟研究，揭示了微观结构对流体扩散和传质行为的影响，并与石墨烯、氮化硼、二硫化钼等孔道的模拟结果进行了对比研究。构建了二氧化钛-PVDF模型，研究了无机粒子对高分子材料扩散行为及机械性能的影响。研究表明小尺度和低浓度二氧化钛粒子的添加，有助于改善水分子在PVDF膜中的扩散，并提高机械性能。本课题也开展了相应的实验研究工作，利用PVDF膜，结合紫外光谱开发了电场驱动下的固相微萃取技术，对水溶液中重金属和有机物均有较好的富集效果。合成了两亲性共聚物P(AMPS-CO-MMA)，制备了两亲性共混膜，该膜具有较大的水通量和较好的抗污染性能。.在项目实施过程中，共发表研究论文15篇，其中SCI收录论文5篇，中文10篇；申请国家发明专利5项；培养硕士研究生5名。项目组与多家国内高校和研究所课题组建立了合作关系。