耗散粒子动力学/计算流体力学对热致相分离法成膜过程的多尺度研究

Preparing membranes with good properties via thermally induced phase separation (TIPS) method is very important for urban sewage and wastewater treatment. On the basis of analyzing the mechanism of membrane formation via TIPS, we propose a new strategy that combines dissipative particle dynamics (DPD) with computational fluid mechanics (CFD) to establish a theoretical model and a simulation platform to investigate the dynamics of membrane formation process via TIPS. Since TIPS process concerns multiple physical levels which involves from the microscopic to macroscopic levels, in this project we separate this process into two stages: flow state and solidification. Firstly, a CFD model will be built in order to study the temperature and concentration field from the macroscopic to mesoscopic level. Furthermore, based on a high performance computer a DPD-TIPS simulation platform will be developed to carry out some dynamic researches of phase separation according to the previous CFD calculation results from the mesoscopic to microscopic level. In addition we try to establish a connection between the flow state and solidification on the base of polymer crystallization kinetics theory. Finally, the effects of polymer crystal form transformation on the membrane property will be studied to contrast with the simulation results, and as a result we can get a full and deep understanding about the dynamics of membrane formation process via TIPS. This project is not only of great benefit to the preparation of filtration membranes with good properties via TIPS, but also supplies a new method for phase separation research of complex fluid.

通过热致相分离（TIPS）法制备高性能超微滤膜对于工业废水和城市污水的深度处理具有重要的价值。本项目在剖析TIPS成膜机理的基础上，提出了将耗散粒子动力学（DPD）和计算流体力学(CFD)结合起来，建立用于分析TIPS成膜过程的理论模型和研究方法。TIPS 成膜是一个涉及从分子到宏观的多尺度过程，本项目首先将其分成流态和固化两个阶段，通过CFD从宏观到介观的尺度范围，对成膜过程中温度场、浓度场的变化进行建模分析，然后借助高性能计算工具，搭建DPD-TIPS模拟平台，从介观到分子的尺度，对CFD的计算结果开展相变动力学研究，并根据聚合物结晶动力学理论，建立与固化之间的联系，最后借研究膜材料晶型与膜性能联系的实验研究对照模拟结果，综合实现对TIPS成膜过程的深入解析。上述研究不仅能够为工程上制备高性能超微滤膜提供理论依据和工程指导，而且丰富了介观流体相变的研究方法，兼具学术意义与应用价值。

通过热致相分离（TIPS）法制备高性能超微滤膜对于工业废水和城市污水的深度处理具有重要的价值。本项目在剖析TIPS成膜机理的基础上，首次将经典的传递模型Maxwell-Stefan方程与介观流体模拟方法耗散粒子动力学（DPD）相结合，对TIPS法成膜过程动力学开展了一系列多尺度研究。首先，针对TIPS法聚合物中空纤维成膜过程建立了MS宏观尺度模型，得到相分离过程中聚合物溶液浓度场和温度场的变化。然后，以宏观模型结果为基础，建立了一个从原理到计算尺度都更接近于实际的新DPD模拟平台。最后，采用拉伸结合退火的外场作用对聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维多孔膜进行处理，通过研究外场对膜本体结晶性能和结构的影响来掌握膜材料与膜性能之间的联系，同时借助于热台和偏光显微镜对成膜过程中的结晶动力学进行研究，解读相分离与固化之间的联系，上述研究不仅能够为工程上制备高性能超微滤膜提供理论依据和工程指导，而且丰富了复杂流体相转变的研究方法。.研究取得的主要成果如下：.1）针对于TIPS成膜过程，建立了可扩展到多组分体系和复杂外场条件下的MS模型，对成膜过程的传质和传热实现较为准确的预测。深入研究了聚合物浓度、蒸发时间和淬冷时间对相应浓度场和温度场的影响，模拟结果得到了实验的验证，从而证明MS模型能够为深入了解TIPS法成膜过程提供重要的信息；.2）以MS模型得到的温度场结果为基础，采用图形处理器（GPU）加速的方式和线性降温的算法，建立了新的DPD模拟平台，对聚合物溶液-凝固浴界面上存在传热的成膜过程实现了多尺度解读。模拟结果说明界面上的传热在聚合物溶液剖面造成的温度梯度对成膜过程有很大的影响，从而导致聚合物溶液不同的位置会有不同的降温速率和粗化时间，证明了界面上的传热是造成膜结构呈现内外不均匀的重要原因；.3）拉伸结合退火的外场作用导致膜本体发生重结晶过程，使得部分PVDF由α晶转变为β晶，并提高了总结晶度。同时，力学外场作用导致膜断面的微孔在拉伸方向上出现一定程度的取向。说明拉伸结合退火的作用能够简单有效地改善PVDF微孔膜的性能；.4）通过热台+偏光显微镜（POM）在线观察聚合物富相结晶行为，明确相分离与固化之间的联系；以这些动力学研究为基础，成功制备了高性能的醋酸纤维素中空纤维膜；.上述研究工作已有两篇相关文章发表，同时还有两篇文章已经完成一审，两篇文章正在撰写中。