en fr Molecular simulation study of the solubility and the diffusion of gases in polymer matrix Etude par simulation moléculaire de la solubilité et de la diffusion de gaz dans des matrices polymères Report as inadecuate




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1 LCPO - Laboratoire de Chimie Physique D-Orsay 2 IFPEN - IFP Energies nouvelles

Abstract : The study of gas permeation in polymers is at the centre of numerous industrial problems. The aim of this work is to develop a predictive model of gases permeation in polyethylene using molecular simulation. The molecular simulation of long chain molecules such as polymers is very difficult as these molecules have a lot of degrees of freedom to sample. Several Monte Carlo moves, designed specifically for polymers, had to be added to our simulation code. The osmotic ensemble has also been implemented in the code to better reproduce the usual conditions used in permeability experiments. Solubility, by Monte Carlo simulations, and diffusion, by molecular dynamics simulations, have been computed for methane, carbon dioxide and hydrogen sulphide in polyethylene melts in order to validate methodologies and potentials. The results are in good agreement with available experimental data. At lower temperatures, polyethylene is semi-crystalline but only the amorphous phase can be simulated. The influence of the impermeable crystalline phase on the amorphous phase has been modelled in the osmotic ensemble with an isotropic stress which differs from the gas pressure. A value of this stress has been determined by adjustment on experimental data for carbon dioxide in polyethylene.

Résumé : L-étude de la perméation de gaz dans les polymères fait l-objet d-enjeux industriels importants. L-objectif de ce travail est de mettre au point un modèle prédictif de perméation de gaz dans le polyéthylène par la simulation moléculaire. La modélisation moléculaire des molécules à longue chaîne, comme les polymères, est difficile du fait des nombreux degrés de liberté qu-il faut échantillonner. Cela a nécessité l-implémentation de plusieurs mouvements Monte Carlo spécifiques aux polymères dans le code de simulation. Afin de reproduire au mieux les conditions rencontrées lors des expériences de perméabilité, l-ensemble osmotique a également été implémenté. Des calculs de solubilité, en Monte Carlo, et de diffusion, en dynamique moléculaire, de gaz dans le polyéthylène fondu ont été menés afin de valider les méthodes et les potentiels utilisés. Les résultats obtenus pour des gaz comme le méthane, le dioxyde de carbone et le sulfure d-hydrogène, sont en bon accord avec les données expérimentales disponibles. A basse température, le polyéthylène est semi-cristallin mais seule la phase amorphe peut être modélisée. L-influence de la phase cristalline, imperméable aux gaz, sur la phase amorphe a été prise en compte dans l-ensemble osmotique, au moyen d-une contrainte isotrope différente de la pression. La détermination de la valeur de cette contrainte s-est basée sur des données expérimentales de solubilité du dioxyde de carbone dans le polyéthylène.

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Keywords : molecular simulation solubility semi-crystalline polymers molecular dynamics osmotic ensemble permeability

Mots-clés : simulation moléculaire solubilité diffusion polymères semi-cristallins Monte Carlo dynamique moléculaire ensemble osmotique perméabilité





Author: François Faure -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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