模型聚芳烃沥青质分子聚集行为的分子动力学模拟

发布时间：2020-05-19 22:19

【摘要】：在过去几十年中,沥青质沉积一直影响着原油的开采和运输,给石油工业带来了巨大的损失。研究沥青质分子的自聚集对优化石油开采、运输和精炼具有重要意义。随着计算机技术的飞速发展,分子模拟作为实验的有益补充被越来越多的研究者们采用。根据实验测定的分子结构,大部分的沥青质分子通常包含有多个聚芳香环,为了理解沥青质分子的聚集行为以及溶剂分子对沥青质聚集体的影响,本论文以多种模型聚芳烃分子为研究对象,利用大规模原子和分子并行软件(LAMMPS)进行了一系列分子动力学模拟计算。论文的研究内容主要包括三大部分:一是模型沥青质分子的自聚集行为;二是模型沥青质聚集体与甲苯溶剂混合;三是随机分布的沥青质分子与甲苯溶剂混合。主要的研究内容有三个部分:1.通过分子动力学模拟研究九种模型沥青质分子在533 K下的聚集行为,探讨了共轭芳香环数目、烷基侧链长度和烷基侧链数量对分子聚集行为的影响。发现芳香核之间的π-π相互作用是导致聚芳烃沥青质分子聚集的主要驱动力。沥青质分子的聚集体结构取决于沥青质分子的结构。随着芳香核心的增大,π-π堆叠构型的稳定性越高,并且当共轭芳香环数目达到一定值时,沥青质分子形成稳定的、高度有序的“晶状”堆叠结构。此外,发现烷基侧链显著影响聚芳烃沥青质分子的聚集行为。带两条烷基侧链的模型沥青质分子显示出一种“层状相分离”(PSLS)结构,其中多环芳核形成稳定的单层堆叠结构,与烷基侧链分开。而带五条烷基侧链的模型沥青质分子形成“柱状相分离”(PSCS)结构,在每个柱状聚集体中,可以清楚地观察到长程有序的面对面π-π堆叠结构。2通过分子动力学模拟研究低质量分数的甲苯溶剂在不同温度下对沥青质聚集体的影响。发现低质量分数的甲苯分子并未进入到多环芳核之间,不能破坏它们之间的π-π相互作用,但它们在聚集体边界迅速移动,增加了聚集体之间的距离。此外与甲苯溶剂相比,温度对沥青质聚集体结构的影响较小。3.通过分子动力学模拟研究五种随机分布的带烷基侧链的沥青质分子与甲苯的相互作用。分析模拟得到的运动轨迹发现少量甲苯溶剂(30 wt%)不影响体系形成PSLS和PSCS结构。当添加过量的甲苯溶剂时,沥青质分子形成高度分散的纳米聚集体。此外,还探讨了 PSLS、PSCS以及纳米聚集体中π-π堆叠结构的动力学性质,发现烷基侧链的数量和大小显著影响聚集体中π-π堆叠结构的大小和数量。本论文通过追踪纳米聚集体的结构演变,提出了纳米聚集体可能的解离机理。
【图文】：

周期性边界条件,盒子

界条件以消除误差。对于任何一个元胞，它的四周即上下左右都有一个完全相同逡逑粒子和排列的元胞。通常中心的盒子为立方体，中心盒子周围有２６个镜像盒子，逡逑从二维周期性边界来看如图２．１所示。处于中心位置的格子代表一个元胞，周围逡逑有八个镜像盒子，从图中的箭头可以看见当模拟系统采取周期性边界条件时，当逡逑有粒子运动到模拟盒子之外时，同时肯定有另一相同的粒子从相对方向运动到模逡逑拟盒子中。因此保证了模拟系统中的粒子数目和密度恒定不变。逡逑７0￣￣＾0￣￣叶？￣逡逑0ｆｘ0逦０＾，０逡逑ｙ邋0’邋９逦。’邋Ｑ。’逡逑、0邋？邋＇邋９邋＃邋Ｑ逦０邋十逡逑Ｏｒ逦Ｏ逦０＼，Ｄ逦０＾．０逡逑，０逦°＼邋0邋°＾Ｖ邋Ｐ逡逑ｔｙ逦，，０逦０＾．０逦０？邋Ｄ逡逑０逦0■逦０邋0逦０邋0逡逑图２．１周期性边界条件逡逑１３逡逑

势能,快照,演变图,分子构型

ｃ图３．３邋Ｍ１Ｂ分子体系的势能和密度变化图及原子位置快照图。（ａ）邋ＮＰＴ邋ＭＤ模拟期间的逡逑密度和势能演变图；（ｂ）邋ＮＶＴ邋ＭＤ模拟期间的势能演变图；（ｃ）不同模拟时间轨迹的快照。逡逑１８逡逑
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O631

【参考文献】