научная статья по теме РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ И ПРЕДСКАЗАНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВОДЫ ЧЕРЕЗ ПОЛИМЕРНЫЕ МЕМБРАНЫ Математика

Текст научной статьи на тему «РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ И ПРЕДСКАЗАНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВОДЫ ЧЕРЕЗ ПОЛИМЕРНЫЕ МЕМБРАНЫ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 462, № 5, с. 558-560

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 541.64:547.995

РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ И ПРЕДСКАЗАНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВОДЫ ЧЕРЕЗ ПОЛИМЕРНЫЕ МЕМБРАНЫ © 2015 г. А. А. Аскадский, Т. А. Мацеевич, М. Н. Попова, Е. С. Афанасьев

Представлено академиком РАН А.Р. Хохловым 02.02.2015 г.

Поступило 09.02.2015 г.

DOI: 10.7868/S0869565215170156

Известно, что различные химические и физические процессы возникают в результате длительного контакта воды с полимерными материалами. Проницаемость воды через полимеры ведет к снижению следующих физических и механических свойств различных полимерных материалов: образование трещин, частичная деструкция и т.д. Попытки поиска связи между проницаемостью и такими параметрами, как параметр растворимости Гильдебранда, энергия когезии, свободный объем и другие, не прекращаются до сих пор. Проводят также теоретические и экспериментальные исследования проницаемости воды через полимерные пленки, используемые в различных областях техники и в пищевой промышленности в качестве упаковочных материалов. Однако универсальная расчетная схема для оценки проницаемости воды через полимеры до сих пор отсутствовала. Разработка такой схемы является предметом настоящей работы.

Проницаемость воды (Р) рассчитываем с помощью полученного нами соотношения

ln P =

Iae*

Л

V i

N a IAVt

(1)

Институт элементоорганических соединений

им. А.Н. Несмеянова

Российской Академии наук, Москва

E-mail: andrey@ineos.ac.ru

Московский государственный строительный

университет

N — число Авогадро; ^ А У( — ван-дер-ваальсов

I

объем повторяющегося звена полимера.

Получение соотношения (1) основано на принципах, изложенных в работах [1—4]. В результате решения избыточной системы уравнений, составленной на основе (1), найдены вели-

Таблица 1. Атомные константы и инкременты, учитывающие специфические взаимодействия

Здесь ^ Ае** — энергия межмолекулярного вза-

I

имодействия, складывающаяся из энергий взаимодействия каждого атома и специфических атомных групп, последние вызывают диполь-ди-польные взаимодействия или водородные связи;

Атом и тип межмолекулярного взаимодействия Обозначение атомной константы ae** , кДж/моль

Углерод ae** -27.85

Водород aeH* 44.84

Кислород ae** 19.5

Азот aeN* -19.5

Кремний ae** 194

Хлор ae** -9.5

Фтор ae** 77.3

Сера ae** 637

Двойная связь ae=* 190

Водородная связь ae** 30.5

Водородная связь для -МЫСО-групп aehnco 353

Ароматический цикл (скелет) в основной цепи ae**,» 219

Ароматический цикл (скелет) в боковой цепи a ET.c, s 123

Алифатический цикл (скелет) ae** 239

Диполь-дипольное взаимодействие ae** 122

РАСЧЕТНАЯ СХЕМА

559

2000

°< 1500

л о л

св

ю

^ 500

500

1000

1500

2000

Лксп, баррер • А3

Рис. 1. Корреляционная диаграмма. А = NA £ А V1п Р.

500 400

I 300 р

а б

200

100

80 100 асг, %

Рис. 2. Зависимость проницаемости воды от степени кристалличности для полиэтилена. Точки — экспериментальные.

чины атомных констант и небольшое количество значений, описывающих энергию диполь-ди-польных взаимодействий и водородных связей, представленные в табл. 1. Для составления такой системы использовали многочисленные экспериментальные данные, основные из которых приведены в работах [5—11].

Корреляционная диаграмма, содержащая данные для 31 полимера, показана на рис. 1.

Зависимость проницаемости от степени кристалличности (асг) описывается соотношением

Рсг = (1 -а сг )ехр

I

Ае?

N а IА у-

(2)

си2-о-си3 -о.

"(о

и3с-о ои

Компонент I

Для двухкомпонентного сополимера проницаемость воды оценивается с помощью следующего уравнения:

/" \ / \

а

1п Р =

IА Е *

+ а 2

IА Е *

V г

N а

ответственно;

а.

Л /"

+ а 2

>1

IАУ,

(3)

В качестве примера зависимость проницаемости воды от степени кристалличности для полиэтилена показана на рис. 2.

Экспериментальные точки хорошо укладываются на расчетную зависимость.

/" Л /" Л

IАУ,

V I >1 V I >2J

где а1 и а2 — мольные доли компонентов и 2 со-г Л Г \

I АЕ** и IАЕ** — энергии

V I /1 V I )2

межмолекулярного взаимодействия компонентов

( Л ( ^

1 и 2 соответственно; I А У и IА V\

V I /1 V I /

дер-ваальсовы объемы повторяющихся звеньев полимеров 1 и 2.

В качестве примера рассчитаем величину проницаемости воды для метилцеллюлозы при степени замещения 1.9 [12]. Химическое строение компонентов I и II выглядит следующим образом:

— ван-

си2—он

"(о

и3с-о ои

Компонент II

Для компонента I

IА Е *

Л

= 8А Е ** + + 14(44.84) + 5(19.50) + 30.5 + 239 = 772 кДж/моль.

V I /I

+ 14АеН* + 5 А е** + 1Ае** + 1А Е** = 8(-27.85) + ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 462 № 5 2015

IА V,

= 170 А3.

0

560

АСКАДСКИЙ и др.

Для компонента II

IА В*

V i

= 7 А ВС

+

/II

+ 12АвН* + 5Ae о* + 2Ав** + 1А b*{*c = 7(-27.85) +

+ 12(44.84) +

5(19.50)

(

= 740.5 кДж/моль.

+ Л

IА у

2(30.5) + 239 = = 151 Ä3 (ван-дер-

ваальсовы объемы рассчитаны с помощью ЭВМ-программы "Каскад", ИНЭОС РАН).

Подставляя полученные значения в уравнение (3), получаем lnP = 7.57 и = 2000 баррер. Расчетные значения проницаемости с хорошей точностью совпадают с экспериментальными.

Таким образом, предложенная расчетная схема позволяет с хорошей точностью предсказывать проницаемость воды через полимерные мембраны на основе химического строения полимера и степени кристалличности. Компьютеризация метода дает возможность осуществлять прогноз в автоматическом режиме, а также решать задачу компьютерного синтеза полимеров с заданной величиной проницаемости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аскадский А.А., Матвеев Ю.И. Химическое строение и физические свойства полимеров. М.: Химия, 1983. 248 с.

2. Askadskii A.A. Physical Properties of Polymers. Prediction and Control. Amsterdam: Gordon and Breach Sci. Publ., 1996. 336 p.

3. Аскадский А.А., Кондращенко В.И. Компьютерное материаловедение полимеров. Т. 1. Атомно-моле-кулярный уровень. М.: Науч. мир, 1999. 543 с.

4. Askadskii A. Computational Materials Science of Polymers. Cambridge: Cambridge Intern. Sci. Publ., 2003. 695 p.

5. Ho W.S.W., Sirkar K.K. Membrane Handbook. N.Y.: Van Nostrand, 1992. 954 p.

6. PaulD.R., Yampolskii Yu.P. Polymeric Gas Separation Membranes. Boca Raton (FL): CRC Press, 1994. 466 p.

7. Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов. М.: Химия, 1974. 272 с.

8. Iordanskii A.L., Startsev O.V., Zaikov G.E. Water Transport in Synthetic Polymers. N.Y.: Nova, 2003. 229 p.

9. Zaikov G.E., Iordanskii A.L., Markin V.S. Diffusion of Electrolytes in Polymers. Utrecht: VSP, 1988. 321 p.

10. Porter M.C. Handbook of Industrial Membrane Technology. Oak Ridge (NJ): Noyes Publ., 1990. 604 p.

11. Vieth W.R. Diffusion in and through Polymers. Principles and Applications. Munic: Hanser Publ., 1991. 330 p.

12. Turhan K.N., Sahbaz F. // J. Food Eng. 2004. V. 61. P. 459.

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 462 № 5

2015

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком