本發(fā)明涉及計算機模擬領(lǐng)域，尤其涉及一種改性聚偏氟乙烯膜的分子動力學(xué)模擬研究方法。

背景技術(shù)：

膜技術(shù)是近數(shù)十年發(fā)展起來的一種交叉了多種學(xué)科知識的高效的、新型的分離技術(shù)，是膜在生產(chǎn)與研究中的使用技術(shù)，目前，在諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用并且正在以較快的速度不斷擴展。膜技術(shù)不僅在研究與技術(shù)中有著很大的價值，同時在商業(yè)領(lǐng)域也有，巨大的吸引力。原因是膜技術(shù)與傳統(tǒng)分離方法如蒸餾、蒸發(fā)、重結(jié)晶、篩分等相比較而言有明顯優(yōu)勢：更高效、更簡單、更低能耗、更環(huán)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(yè)成本，在一定程度上限制了它的應(yīng)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(guān)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(jiān)測技術(shù)和采樣間隔等因素的影響難以實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測和準(zhǔn)確解析。

隨著計算化學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計算機硬件水平的持續(xù)迅速提高，利用計算機分子模擬技術(shù)研究和預(yù)測復(fù)雜的高分子、蛋白質(zhì)體系的性質(zhì)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(shù)的優(yōu)勢，在于從分子間的相互作用力出發(fā)，基于統(tǒng)計力學(xué)原理，可以從微觀角度深入探討和預(yù)測體系的結(jié)構(gòu)以及特殊微觀結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的特殊性質(zhì)。此外，分子模擬可以模擬很多實驗手段難以實現(xiàn)和達到的條件，從而對實驗現(xiàn)象的解釋與預(yù)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(shù)發(fā)展都有巨大的推動作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，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(dǎo)作用。

為實現(xiàn)本發(fā)明所提供的技術(shù)方案包括以下步驟：

(1)根據(jù)聚偏氟乙烯本身參數(shù)，建立聚偏氟乙烯膜模型。設(shè)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(tǒng)進行升溫，以保證膜表面結(jié)構(gòu)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(jīng)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(fù)合模型進行優(yōu)化處理，并設(shè)定條件運行達到平衡。

(6)分別對平衡后的三組模型進行數(shù)據(jù)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

為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步地詳細說明，但是本發(fā)明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(jù)聚偏氟乙烯本身參數(shù)，建立聚偏氟乙烯膜模型。設(shè)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(guān)文獻得到聚偏氟乙烯模擬參數(shù)，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(tǒng)進行升溫，以保證膜表面結(jié)構(gòu)整齊。

首先對模型進行前處理，使體系達到穩(wěn)狀態(tài)，即在設(shè)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(jīng)過預(yù)處理的穩(wěn)定體系進行升溫處理以達到相轉(zhuǎn)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(yù)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(tài)。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(tǒng)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(shè)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(shè)置為長城庫倫力的計算設(shè)置為三維網(wǎng)絡(luò)密度泛函形式，網(wǎng)格大小設(shè)為設(shè)置每運行100步輸出一個結(jié)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(jīng)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(qū)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(qū)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(xué)模擬方法進行模擬計算。本次運行均采用NVT系綜，設(shè)置恒定溫度298K，使用雙值截斷法，內(nèi)截斷值為外截斷值設(shè)為運行4ns。計算中，設(shè)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(wǎng)絡(luò)密度泛函，網(wǎng)格大小設(shè)為時間步長為1.0fs，設(shè)置每100步輸出記錄一次結(jié)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(shù)據(jù)分析，對比親水性

對于(4)中的模擬得到的位移數(shù)據(jù)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(dāng)，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。