Μοριακή προσομοίωση για τη μελέτη των μικροσκοπικών μηχανισμών και την πρόβλεψη ιδιοτήτων του πολυ(φθοριούχου βινυλιδενίου) και των μιγμάτων του με το διοξείδιο του άνθρακα

Αργυροπούλου, Αικατερίνη; Argyropoulou, Aikaterini

dc.contributor.author	Αργυροπούλου, Αικατερίνη	el
dc.contributor.author	Argyropoulou, Aikaterini	en
dc.date.accessioned	2022-12-16T11:44:58Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56491
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24189
dc.rights	Default License
dc.subject	Μοριακή δυναμική	el
dc.subject	Μέθοδος Widom	el
dc.subject	PVDF	el
dc.subject	Ρόφηση	el
dc.subject	Διοξείδιο του άνθρακα	el
dc.subject	PVDF	en
dc.subject	Molecular dynamics	en
dc.subject	Sorption	en
dc.subject	Widom method	en
dc.subject	Carbon dioxide	en
dc.title	Μοριακή προσομοίωση για τη μελέτη των μικροσκοπικών μηχανισμών και την πρόβλεψη ιδιοτήτων του πολυ(φθοριούχου βινυλιδενίου) και των μιγμάτων του με το διοξείδιο του άνθρακα	el
dc.title	Molecular simulation for the study of the microscopic mechanisms and the prediction of properties of polyvinylidene fluoride and its mixtures with carbon dioxide	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Πολυμερή	el
heal.classification	Μοριακές προσομοιώσεις	el
heal.dateAvailable	2023-12-15T22:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07-04
heal.abstract	Polyvinylidene fluoride or PVDF is a fluoropolymer with (-CH2 -CF2-) as a monomeric unit, and belongs to the family of thermoplastic and semicrystalline polymers. Due to an important combination of properties such as thermal and chemical stability, hydrophobicity and good mechanical strength, PVDF has been selected for use in several applications in the recent years. One important application is its use as a material for constructing membranes for gas separations due to it has large free volume and high gas permeability. Molecular simulations are a powerful and efficient means for understanding the connection between microscopic structure and macroscopic properties which is necessary to enable design new materials on molecular level. The present diploma thesis focused on the computational study of PVDF via molecular dynamics simulations. An existing force field that has been optimized and validated for PVDF was used and molecular dynamics simulations were conducted using the LAMMPS software. Thermodynamic, volumetric, structural, dynamic and permeability properties were calculated and the effect of CO2 presence and concentration on the above properties was investigated. PVDF was studied in the pure state at three different molecular weights at 493K. The PVDF system of 40 chains of 50mer PVDF was studied at three different temperatures 493K, 450K and 400K both in pure and in mixture with CO2 at five different concentrations (xCO2 =0,0055, 0,0092, 0,0249, 0,0400, 0,0601 gCO2/gPVDF ). Sorption isotherms were calculated for the mixture of PVDF and CO2 through an iterative multi-stage scheme that involved a sequence of simulations in the NPT statistical ensemble and Widom particles insertions. Through Widom particle insertions the excess chemical potential and thereby, the fugacity of CO2 was calculated and the scheme was repeated for each system until convergence was reached and the correct pressure was determined in each case. The concentration of CO2 in the polymer-CO2 mixtures significantly affects the thermodynamic properties, causing a swelling of the polymer matrix. Over the range of thermodynamic states studied, the density of the system decreases linearly with increasing CO2 concentration, with the volume exhibiting an increase up to 9.5% for 8 the highest concentration (xCO2 = 0.0601 gCO2 /gPVDF). Structural properties such as the mean radius of gyration of the polymer chains and the radial distribution functions (RDF) are not significantly affected by the changes in the temperature or the presence of CO2 in the system at low concentrations, while an increase in the intensity of the RDF peaks in observed in the case of the higher CO2 contents. Finally, the self-diffusion coefficient of CO2 increases significantly with an increase of its concentration in the system, with this increase being more pronounced at higher temperatures. The activation energy of self-diffusion decreases as CO2 concentration increases. The diploma thesis was held at the Molecular Thermodynamics and Modeling of Materials Laboratory of the Institute of Nanoscience and Nanotechnology at the National Center of Scientific Research “Demokritos” under the supervision of Dr. Niki Vergadou.	en
heal.abstract	Το πολυ(φθοριούχο βινυλιδένιο) ή PVDF είναι ένα φθοροπολυμερές με δομική μονάδα (-CH2-CF2-), το οποίο ανήκει στην κατηγορία των θερμοπλαστικών και ημικρυσταλλικών πολυμερών. Λόγω των ιδιαίτερων ιδιοτήτων του, όπως η υψηλή θερμική και χημική σταθερότητα, η υδροφοβικότητα και η καλή μηχανική αντοχή, έχει βρει πληθώρα εφαρμογών τα τελευταία χρόνια. Μια από τις σημαντικές εφαρμογές είναι η χρήση του ως υλικό για κατασκευή μεμβρανών διαχωρισμού, καθώς διαθέτει μεγάλο ελεύθερο όγκο και υψηλή διαπερατότητα αερίων. Για την καλύτερη κατανόηση της σχέσης μεταξύ μικροσκοπικής δομής και μακροσκοπικών ιδιοτήτων, ώστε να γίνει εφικτός ο σχεδιασμός υλικών σε μοριακό επίπεδο, οι μοριακές προσομοιώσεις αποτελούν ένα πολύτιμο και απαραίτητο εργαλείο. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε το PVDF μέσω προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής. Εφαρμόστηκε ένα υπάρχον πεδίο δυνάμεων, το οποίο είχε ήδη βελτιστοποιηθεί και επαληθευτεί για το PVDF και οι προσομοιώσεις διεξήχθησαν με χρήση του λογισμικού LAMMPS. Υπολογίστηκαν θερμοδυναμικές, δομικές και δυναμικές ιδιότητες των συστημάτων, καθώς και η επίδραση της παρουσίας και της συγκέντρωσης του CO2 σε αυτές. Για το καθαρό PVDF πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις σε τρία διαφορετικά μοριακά βάρη. Το σύστημα 40 αλυσίδων του 50μερούς μελετήθηκε σε τρεις θερμοκρασίες 493Κ, 450Κ και 400Κ ως καθαρό πολυμερές και ως μίγμα με CO2 σε πέντε διαφορετικές συγκεντρώσεις xCO2 =0,0055, 0,0092, 0,0249, 0,0400, 0,0601 gCO2/gPVDF. Για τα μίγματα PVDF και CO2 εξήχθησαν οι ισόθερμες ρόφησης μέσω μιας μεθόδου πολλαπλών σταδίων που περιλάμβανε προσομοιώσεις στο στατιστικό σύνολο N1N2PT και ενθέσεις σωματιδίων Widom. Μέσω των ενθέσεων Widom υπολογιζεται το χημικό δυναμικό περίσσειας και μέσω αυτού η τάση διαφυγής του CO2 και η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να υπάρξει σύγκλιση της πίεσης. Η συγκέντρωση του CO2 στο σύστημα πολυμερούς - CO2 επηρεάζει σημαντικά τις θερμοδυναμικές ιδιότητες, επιφέροντας διόγκωση (swelling) της μήτρας του πολυμερούς. Στην περιοχή θερμοδυναμικών καταστάσεων που μελετήθηκαν, η πυκνότητα του συστήματος μειώνεται γραμμικά με την αύξηση της συγκέντρωσης του CO2, ενώ ο όγκος αυξάνεται μέχρι και 9,5% για τη μεγαλύτερη συγκέντρωση xCO2 6 =0,0601 gCO2/gPVDF, με το ποσοστό τα αύξησης να επηρεάζεται από τη θερμοκρασία. Οι δομικές ιδιότητες όπως η μέση γυροσκοπική ακτίνα των αλυσίδων του πολυμερούς και οι συναρτήσεις ακτινικής κατανομής δεν επηρεάζονται σημαντικά από την ύπαρξη χαμηλών συγκεντρώσεων CO2 στο σύστημα, ενώ παρατηρείται αύξηση της έντασης των κορυφών στις υψηλότερες συγκεντρώσεις, χωρίς όμως να υπάρχει μετατόπιση των κορυφών. Τέλος, ο συντελεστής αυτοδιάχυσης του CO2 αυξάνεται σημαντικά με την αύξηση της συγκέντρωσης του CO2, με την αύξηση αυτή να είναι μεγαλύτερη στις υψηλότερες θερμοκρασίες, ενώ η ενέργεια ενεργοποίησης της αυτοδιάχυσης είναι μικρότερη στις υψηλότερες συγκεντρώσεις του CO2. Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Μοριακής Θερμοδυναμικής και Μοντελοποίησης Υλικών του Ινστιτούτου Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας στο Εθνικό Κέντρο Έρευνας Φυσικών Επιστημών "Δημόκριτος" υπό την επίβλεψη της Δρος Νίκης Βέργαδου, Ερευνήτριας Γ'.	el
heal.advisorName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Κροκίδα, Μαγδαληνή	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	91 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false