加入两亲性嵌段共聚物的抗污染高分子超滤膜形成的Monte Carlo模拟

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现代化工产业发展的核心难题是如何实现节能减排和精细化生产。作为一种新兴技术,膜分离有助于使现代化工产业的可持续发展变为可能。膜分离技术的关键是如何制备出分离效果好、水通量高及抗污染性强的高分子超滤膜材料。近年来,引入两亲性嵌段共聚物添加剂共混制备高分子超滤膜的方法受到人们的广泛关注。本文通过采用键长涨落二维格子链模型下的Monte Carlo方法模拟了引入两亲性嵌段共聚物添加剂的四元成膜体系中抗污染高分子超滤膜的形成过程。针对浸没沉淀法制备高分子超滤膜的相分离过程,本文主要研究了引入两亲性嵌段共聚物添加剂对成膜体系热力学和扩散动力学性质的影响,并着重分析了成膜体系中相结构和形态的演化过程。我们的模拟结果对共混法制备抗污染高分子超滤膜具有重要的理论指导意义。首先,通过采用基于平均场理论的三元近似方法,计算出成膜体系的等温相图。通过分析相图发现,等温相图中稳定区和亚稳区变大,而非稳区变小。这说明,引入两亲性嵌段共聚物能增加成膜体系的热力学稳定性。此外,通过分析非溶剂分子的扩散速率发现,随着两亲性嵌段共聚物的浓度和亲水性链段长度增大,非溶剂分子的扩散速率变大。其次,详细研究了两亲性嵌段共聚物对成膜体系中相结构和形态演化的影响。我们发现:引入两亲性嵌段共聚物能使膜孔数量增加,并对指状大孔结构的形成起到抑制作用;增大两亲性嵌段共聚物的浓度和亲水性链段的长度均能使平均膜孔尺寸变大,并促使内孔之间相互归并而形成连通孔道结构;此外,五嵌段共聚物作为成孔剂呈现出比三嵌段共聚物或两嵌段共聚物更好的性能,同时,M-N-M-N-M型和M-N-M型的嵌段共聚物诱导膜孔形成的成孔性能要分别优于N-M-N-M-N型和N-M-N型的嵌段共聚物。最后,详细研究了相分离过程中两亲性嵌段共聚物在聚合物相和非溶剂相的界面处发生的表面偏析现象。我们发现,表面偏析有利于降低聚合物相的表面张力,促进膜孔结构的逐渐形成和归并。不同分子结构的两亲性嵌段共聚物在膜孔表面具有不同的伸展构象。此外,通过分析相分离过程中各个亚层的平均膜孔尺寸的变化,我们发现,成膜体系中非对称结构的演化过程可以大致分为三个阶段,每个阶段中非溶液分子的扩散行为和膜孔结构的演化都具有不同的特点。
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