Gas Permeation in Semicrystalline Polyethylene as Studied by Molecular Simulation and Elastic Model

Abstract

> Development of Reactive Barrier Polymers against Corrosion for the Oil and Gas Industry: From Formulation to Qualification through the Development of Predictive Multiphysics ModelingDéveloppement de matériaux barrières réactifs contre la corrosion pour l'industrie pétrolière : de la formulation à la qualification industrielle en passant par le développement de modèles multiphysiques prédictifs Résumé -Perméation de gaz dans le polyéthylène semi-cristallin par simulation moléculaire et modèle élastique -Dans ce travail, nous utilisons la simulation moléculaire pour étudier la perméa-tion de deux gaz (CH 4 et CO 2 ) dans le polyéthylène. Ces simulations sont conduites à des températures inférieures à la température de fusion du polymère. Bien que dans de telles conditions, le polyéthylène soit à l'état semi-cristallin, des boîtes de simulation contenant exclusivement du polymère amorphe sont utilisées. Dans de précédents travaux [Memari P., Lachet V., Rousseau B. (2010) Polymer 51, 4978], nous avons montré que les effets de la morphologie complexe des matériaux semi-cristallins pouvaient être pris en compte de manière implicite par une contrainte ad-hoc exercée sur la phase amorphe. Dans le présent travail, nous montrons que cette approche peut être mise en oeuvre non seulement pour le calcul de propriétés d'équilibre mais également pour le calcul de propriétés de transport comme les coefficients de diffusion. De plus, en utilisant le modèle élastique de Michaels et Hausslein [Michaels A.S., Hausslein R.W. (1965) J. Polymer Sci. : Part C 10, 61], cette contrainte ad-hoc peut être reliée à la fraction de chaînes qui contribuent au terme d'énergie élastique dans le matériau. Nous constatons que les propriétés de transport dans les régions amorphes sont fortement influencées par cette fraction de chaînes. Abstract

Sorption and Diffusion of Methane, Carbon Dioxide, and Their Mixture in Amorphous Polyethylene at High Pressures and Temperatures

“…Our results show that the uptake of CH 4 and CO 2 by polyethylene generally increased with increasing pressure and decreasing temperature. A similar trend has also been reported by previous simulation studies. − However, at high pressures, the entropic factors may become dominant and, for example, the uptake of CH 4 by polyethylene increases with increasing temperature. This is consistent with the experimental observations for CH 4 uptake in the low-density polyethylene .…”

“…Polymer models may be used to enhance the understanding of the interactions in kerogen-rich shale. , However, note that polymer networks differ from kerogen at both molecular and supramolecular levels. For all these applications, the interaction between the small penetrant molecules and the polymers plays a key role. ,− …”

“…There has been considerable work on the sorption ,− and transport ,− ,,,− ,,,− properties of CH 4 , CO 2 , and their mixture in polyethylene at low pressures. These investigations showed that the solubility of CH 4 and CO 2 in amorphous polyethylene generally decreased with increasing temperature/fractional free volume (FFV).…”

“…The diffusion behavior of CH 4 in polyethylene was not much affected by the presence of CO 2 and vice versa. There have also been many investigations on the sorption and transport properties of CH 4 and CO 2 in polyethylene at elevated pressures. − These investigations found that the uptake of CH 4 and CO 2 by polyethylene generally increases with pressure. The mobility of CH 4 and CO 2 generally increased with increasing pressure, which is the same trend as that of the swelling of the polymer.…”

Influence of high pressures on CH4, CO2 and H2S solubility in polyethylene: Experimental and molecular simulation approaches for pure gas and gas mixtures. Modelling of the sorption isotherms

“…The principle of the Monte Carlo (MC) simulation methodology we have used in this study has been detailed in previous works [33,38,39]. The main points are briefly given hereafter.…”