一種改性聚偏氟乙烯膜的分子動力學模擬研究方法技術

本發明專利技術涉及一種改性聚偏氟乙烯膜的分子動力學模擬研究方法，所述方法包括如下步驟：根據聚偏氟乙烯本身參數，建立聚偏氟乙烯膜模型，設定模擬體系的尺寸、嫁接原子，以及建立評價聚偏氟乙烯膜親水性的水分子模型。然后對已建立的聚偏氟乙烯模型進行能量最小化處理，并對系統進行升溫，以保證膜表面結構整齊，接著建立嫁接親水性功能團模型，再分別建立三組水分子與聚偏氟乙烯膜的組合模型并模擬運行。最后分別對平衡后的三組模型進行數據分析，對比親水性。本發明專利技術簡單、高效，避免了在實驗過程中因操作誤差而引起的實驗結果偏差，為實驗進行提高有效理論指導。

Molecular dynamics simulation method of modified polyvinylidene fluoride membrane

The invention relates to a method to study the molecular dynamics simulation of the modified PVDF membrane. The method comprises the following steps: according to the PVDF parameters, establish the PVDF membrane model, size, set the simulation system of grafting atoms and water molecules, to establish the evaluation model of PVDF membrane hydrophilicity the. Then the established PVDF model to minimize the energy, and the system of heating, to ensure that the membrane surface structure in order, then establish grafting hydrophilic functional group model, combination model are built three sets of water molecules and PVDF membrane and simulation operation. Finally, the data of three groups of models were analyzed respectively, and the hydrophilicity was compared. The invention is simple and efficient, and avoids the deviation of experimental results caused by operation error during the experiment process, so as to improve the effective theoretical guidance for the experiment.

【技術實現步驟摘要】
一種改性聚偏氟乙烯膜的分子動力學模擬研究方法
本專利技術涉及計算機模擬領域，尤其涉及一種改性聚偏氟乙烯膜的分子動力學模擬研究方法。
技術介紹
膜技術是近數十年發展起來的一種交叉了多種學科知識的高效的、新型的分離技術，是膜在生產與研究中的使用技術，目前，在諸多領域都得到了廣泛的應用并且正在以較快的速度不斷擴展。膜技術不僅在研究與技術中有著很大的價值，同時在商業領域也有，巨大的吸引力。原因是膜技術與傳統分離方法如蒸餾、蒸發、重結晶、篩分等相比較而言有明顯優勢：更高效、更簡單、更低能耗、更環保。但是由于聚偏氟乙烯具有較強的疏水性，在使用過程中易引起膜的污染，增大工業成本，在一定程度上限制了它的應用。對于聚偏氟乙烯進行改性以提高其表面的親水性可以增強膜的親水性從而提高其高污染能力，目前公開的關于聚偏氟乙烯表面的改性方法主要是通過實驗中對膜表面進行嫁接親水性功能團從而達到提高聚偏氟乙烯膜的親水性的目的，但是這種方法在實際實驗操作過程中由于受到操作條件、監測技術和采樣間隔等因素的影響難以實現連續監測和準確解析。隨著計算化學技術的發展和計算機硬件水平的持續迅速提高，利用計算機分子模擬技術研究和預測復雜的高分子、蛋白質體系的性質已成為可能，也為解決膜材料改性中遇到的諸多理論問題開辟了新的研究道路、研究方法和研究思路。分子模擬技術的優勢，在于從分子間的相互作用力出發，基于統計力學原理，可以從微觀角度深入探討和預測體系的結構以及特殊微觀結構所導致的特殊性質。此外，分子模擬可以模擬很多實驗手段難以實現和達到的條件，從而對實驗現象的解釋與預測，提供強大的支持。模擬計算與實驗研究取長補短，相得益彰，不論對分子模擬本身還是對實驗技術發展都有巨大的推動作用。
技術實現思路
本專利技術的目的是，提出一種從理論上模擬對聚偏氟乙烯膜改性的研究方法，從而使得研究過程更加具有說服力，為實驗提供理論指導作用。為實現本專利技術所提供的技術方案包括以下步驟：(1)根據聚偏氟乙烯本身參數，建立聚偏氟乙烯膜模型。設定模擬體系的尺寸、嫁接原子，以及建立評價聚偏氟乙烯膜親水性的水分子模型。(2)對(1)中已建立的聚偏氟乙烯模型進行能量最小化處理，并對系統進行升溫，以保證膜表面結構整齊。(3)建立嫁接親水性功能團模型分別建立三組模型，第一組即(2)中經過處理過的聚偏氟乙烯模型；第二組為嫁接密度為d1的親水性功能團(羥基)模型；第三組為嫁接密度為d2的親水性功能團(羥基)模型。(4)對于(3)中建立的三組模型進行能量最小化處理。分別建立三組水分子與聚偏氟乙烯膜的組合模型。(5)對(4)中已建立的三組復合模型進行優化處理，并設定條件運行達到平衡。(6)分別對平衡后的三組模型進行數據分析，對比親水性。附圖說明圖1是水分子在無嫁接基團的聚偏氟乙烯膜上的均方位移圖；圖2是水分子在嫁接羥基基團密度為d1的聚偏氟乙烯膜上的均方位移圖；圖3是水分子在嫁接羥基基團密度為d2的聚偏氟乙烯膜上的均方位移圖。具體實施方式為更好理解本專利技術，下面結合實施例對本專利技術做進一步地詳細說明，但是本專利技術要求保護的范圍并不局限于實施例所表示的范圍。實施例：(1)根據聚偏氟乙烯本身參數，建立聚偏氟乙烯膜模型。設定模擬體系的尺寸、嫁接原子，以及建立評價聚偏氟乙烯膜親水性的水分子模型。查閱相關文獻得到聚偏氟乙烯模擬參數，建立一個含有1404個晶胞單元，72條分子鏈，16848個原子的聚偏氟乙烯模型。平面大小為10nm×10nm，厚度為1.5nm。嫁接基團選用用有良好親水性的羥基。(2)對(1)中已建立的聚偏氟乙烯模型進行能量最小化處理，并對系統進行升溫，以保證膜表面結構整齊。首先對模型進行前處理，使體系達到穩狀態，即在設定恒定溫度298K下對晶體模型采用NVT系綜進行MD模擬計算100ps至體系達到平衡，之后，在298K恒定溫度溫以及一個大氣壓的條件下采用NPT系綜模擬計算100ps至體系平衡。第二階段需要對經過預處理的穩定體系進行升溫處理以達到相轉變，查閱文獻可知，β相PVDF長鏈聚合物的溶解溫度約為850K。本次模擬對上述預處理體系升高溫度至1000K模擬計算4ns至PVDF晶體模型溶解并達到平衡狀態。第三階段即對熔化的PVDF降溫凝固處理，采用模擬退火法在一個大氣壓下將體系從1000K降溫至300K模擬運行2ns。最后，在300K下模擬運行2ns至系統平衡。第二階段采用NVT系綜，第三階段均采用NPT系綜，最后的平衡體系采用NPT系綜。模擬過程中時間步長設置為1.0fs，在X，Y，Z方向均采用周期性邊界條件，截斷距離設置為長城庫倫力的計算設置為三維網絡密度泛函形式，網格大小設為設置每運行100步輸出一個結果。(3)建立嫁接親水性功能團模型分別建立三組模型，第一組即(2)中經過處理過的聚偏氟乙烯模型，此時聚偏氟乙烯膜上嫁接羥基的密度為0，即空白對照；第二組為嫁接密度為d1的親水性功能團(羥基)模型，在100nm2的聚偏氟乙烯膜表面每10nm2的區域插入一個羥基基團，即d1＝0.1；第三組為嫁接密度為d2的親水性功能團(羥基)模型，在100nm2的聚偏氟乙烯膜表面每10nm2的區域插入3個羥基基團，即d2＝0.3。(4)對于(3)中建立的三組模型進行能量最小化處理。分別建立三組水分子與聚偏氟乙烯膜的組合模型。對已建立三個聚偏氟乙烯膜模型，采用分子動力學模擬方法進行模擬計算。本次運行均采用NVT系綜，設置恒定溫度298K，使用雙值截斷法，內截斷值為外截斷值設為運行4ns。計算中，設置板上聚偏氟乙烯位置固定，表面氟原子為活性層，在X，Y方向使用周期性邊界條件，長程庫侖力使用PPPM形式也就是三維網絡密度泛函，網格大小設為時間步長為1.0fs，設置每100步輸出記錄一次結果。三個體系操作條件完全一致。(5)分別對平衡后的三組模型進行數據分析，對比親水性對于(4)中的模擬得到的位移數據進行處理分析。圖1是水分子在無嫁接基團的聚偏氟乙烯膜上的均方位移圖；圖中的三條線分別為水分子在空間X，Y，Z方向上的擴散速率。圖2是水分子在嫁接羥基基團密度為d1的聚偏氟乙烯膜上的均方位移圖，圖3是水分子在嫁接羥基基團密度為d2的聚偏氟乙烯膜上的均方位移圖，對比三圖可以看出，隨著羥基密度的增加，水分子在X，Y方向上的擴散速率基本差別相當，而在Z方向可以看出水分子擴散速率隨著羥基密度增加明顯呈增加趨勢，說明羥基對與聚偏氟乙烯親水化改性有積極作用，并且隨著羥基密度的增加，聚偏氟乙烯的親水性呈增加的趨勢。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種改性聚偏氟乙烯膜的分子動力學模擬研究方法，其特征在于：所述方法具體步驟為：(1)根據聚偏氟乙烯本身參數，建立聚偏氟乙烯膜模型。設定模擬體系的尺寸、嫁接原子，以及建立評價聚偏氟乙烯膜親水性的水分子模型；(2)對建立的聚偏氟乙烯模型進行能量最小化處理，并對系統進行升溫；(3)建立嫁接親水性功能團模型；(4)對于建立的三組模型進行能量最小化處理。分別建立三組水分子與聚偏氟乙烯膜的組合模型；(5)分別對平衡后的三組模型進行數據分析，對比親水性。

【技術特征摘要】
1.一種改性聚偏氟乙烯膜的分子動力學模擬研究方法，其特征在于：所述方法具體步驟為：(1)根據聚偏氟乙烯本身參數，建立聚偏氟乙烯膜模型。設定模擬體系的尺寸、嫁接原子，以及建立評價聚偏氟乙烯膜親水性的水分子模型；(2)對建立的聚偏氟乙烯模型進行能量最小化處理，并對系統進行升溫；(3)建立嫁接親水性功能團模型；(4)對于建立的三組模型進行能量最小化...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張慶印，程文才，張菁，安齊，
申請(專利權)人：天津工業大學，
類型：發明
國別省市：天津,12