CN110489858A - 基于分子动力学模拟的沥青与sbs相容性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于分子动力学模拟的沥青与SBS相容性评价方法，属于改性沥青相容性技术领域，主要解决目前没有具体而精确的方法来评价SBS与沥青相容性的问题。本发明分子动力学模拟的方法为基础，通过利用分子动力学模拟软件，分别构建单个沥青系统晶胞模型、SBS嵌段共聚物分子结构模型和SBS改性沥青共混体系模型，并分别对其进行分子动力学模拟，计算后得到溶度参数和相互作用能，以此为指标来表征和评价SBS与沥青的相容性。本发明的相容性评价方法为研究SBS与沥青的相容机理研究提供了思路，对改性沥青相容性评价体系以及其评价体系的建立提供了指导，对SBS改性剂的配方提供了理论依据，对解决沥青离析问题、提高改性沥青的稳定性具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明是一种基于分子动力学模拟的沥青与SBS相容性评价方法，属于改性沥青相容性技术领域。
背景技术
近三十年来，我国公路交通一直处于高速发展的态势。高等级公路建设里程的不断增加，各级公路沥青路面的建设规模逐渐扩大，其中有90％以上的高速公路铺设了沥青路面。现代公路交通量大，单轴轴载重，超载重载车辆增多，交通趋于渠化，故普通的基质沥青难以满足高等级公路的使用要求。为了提高路面的服务水平和使用寿命，近年来新建的高速公路大多采用了聚合物改性沥青作为结合料。在聚合物改性剂中，热塑性弹性体是改性沥青首选的改性剂，其中苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)应用最广泛，占改性沥青总量的60％以上，它具有提高沥青路面高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害、抗剥落、耐久性的综合性能。
但是，由于SBS和基质沥青在分子量、物理密度以及化学结构等多方面存在差异，属于热力学不相容体系；同时SBS又能自动降低表面层性能，导致两者形成不稳定的混合体系，容易发生分层甚至是分离的现象，这种现象被称为改性沥青的相容性，即能获得比较均匀和稳定的相态结构的共混体系。在此过程中，两者之间并没有发生明显的化学反应，只是SBS在沥青中的分散和吸附过程，两者仅仅是物理意义上的共存共容。在目前的实际应用中，改性沥青的相容性和热存储稳定性差的现状已经成为我国道路建所存在的问题，只有当改性剂与沥青具有良好的相容性，才能保证改性沥青具有优异的性能。可见，研究SBS与沥青的相容性具有十分重要的意义。
随着科技时代的快速发展，人们研究改性剂与沥青相容性的方法已从宏观转向微观层次。宏观试验评价方法存在精确性较差、人为因素影响较大等问题；对于微观层次的评价方法，如显微分析法、红外光谱法等，只能静态地研究沥青，不能动态描述其化学结构变化。分子动力学作为计算机高速发展的产物，架起了研究宏观和微观行为的桥梁，它作为一套分子模拟方法，充分考虑到了分子受势能、温度、压力等外部因素条件的影响，使得模拟结果更符合实际状态。在应用于沥青研究时，它既继承了利用组分来分析优点，又弥补了静态研究的缺点。近年来，分子动力学模拟技术逐渐被运用于道路材料领域，这就为SBS与沥青相容性机理的研究提供了新的思路和方法。
在分子动力力学中，溶度参数和相互作用能是其中较为简便的表征两者相容性的参数。溶度参数对了解、判断高分子体系的溶解性、相容性时具有十分重要的参考价值。当两种材料的溶解度参数差别越小时，越容易相混溶。根据聚合物共混物混合热理论可知，内聚能为消除1mol物质全部分子间作用力所需的能量，是表征物质分子间相互作用强弱的物理量，而内聚能密度的平方根即为溶解度参数。相容性的本质时各组分的分子间相互作用，分子间的非键接相互作用能、范德华相互作用能和静电相互作用能可定量地表征分子间相互作用的强度。
综上所述，目前人们用于评价SBS改性沥青相容性的试验方法存在着无法精确反映出基质沥青与SBS在微观尺度上的动态分布，即无法真实反映出基质沥青和SBS在热力学相容性的好坏，误差较大，且成本较大的问题，同时也并没有提出一种具体的用于评价SBS与沥青相容性的评价方法。
因此，本发明以分子动力学模拟的方法为基础，通过利用Materials Studio软件，分别构建SBS嵌段共聚物分子结构模型、单个沥青系统晶胞模型和SBS沥青共混体系模型，模拟计算得出溶度参数和相互作用能，并以此作为评价相容性指标来表征SBS改性剂与沥青的相容性。
发明内容
(1)技术问题
本发明提供了一种基于分子动力学模拟的沥青与SBS相容性评价方法，该方法通过Materials Studio软件并提出了溶度参数和相互作用能从微观角度动态分析SBS与基质沥青的相容性，评价简便，操作容易，结果直观可靠，从而解决了现有的沥青相容性评价体系没有理论指导的问题，以及目前用宏观实验评价相容性存在的精确性较差、人为因素影响大；用微观层次的评价方法忽略了SBS与沥青相容时分子结构的动态变化的问题。
(2)技术方案
鉴于目前没有统一、准确地评价SBS改性沥青相容性的评价体系的问题，本发明主要通过分子动力学模拟的手段，提供了一种沥青与SBS相容性评价方法，从而为相容性评价体系的建立提供了思路。本发明技术方案如下：首先通过沥青四组分试验确定各组分的含量，然后通过Materials Studio软件构建沥青四组分模型，即饱和分、芳香分、胶质和沥青质的模型，即绘制各个组分的典型代表分子结构模型，根据四组分含量分别确定各组分分子数量，在软件中组合成单个沥青系统晶胞模型，进行结构优化，并验证初始单个沥青系统晶胞模型的合理性。绘制SBS嵌段共聚物分子结构模型，进行结构优化，根据SBS改性剂的掺量，确定添加SBS嵌段共聚物分子结构模型和单个沥青系统晶胞模型的数量，通过软件将SBS嵌段共聚物分子结构模型与单个沥青系统晶胞模型进行组合，得到SBS改性剂与基质沥青的共混体系模型，对模型进行能量优化。最后，分别对SBS嵌段共聚物分子结构模型、单个沥青系统晶胞模型以及SBS改性沥青共混物体系模型进行不同温度下的分子动力学模拟，得到内聚能密度、非键接能、范德华势能和静电势能，再分别根据公式计算溶度参数、非键接相互作用能、范德华相互作用能和静电相互作用能，以评价基质沥青和SBS改性剂之间的相容性。
(3)有益效果
目前改性沥青在高等级道路中的应用越来越多，而SBS作为一种热塑性弹性的改性剂，能显著改善沥青的高温抗变形能力和改善沥青低温性能的能力。相容性是作为评价改性沥青性能不可或缺的指标，但是现有的改性沥青相容性评价体系主要是以相容性试验结果作为依据，没有足够的理论加以指导。本发明提供一种基于分子动力学模拟的沥青与SBS相容性评价方法，是一种操作简单，效率高，精度高的评价方法，它可以从微观角度动态地预测SBS和沥青的相容性，通过使用分子动力学模拟的手段，具体地提出了SBS与沥青相容性的评价方法，为研究SBS与沥青的相容机理提供了思路，对改性沥青相容性评价体系提供了理论指导，使得SBS改性剂的配方不再是盲目、局限的，对SBS改性沥青的生产和应用提供了依据和基础，对有效地解决沥青离析问题、提高改性沥青的稳定性具有十分重要的意义。
具体实施方式
本发明提供了一种基于分子动力学模拟的沥青与SBS相容性评价方法，具体实施步骤如下：
(1)根据《石油沥青四组分测定法(NB/SH/T 0509-2010)》测试基质沥青四组分中的饱和分、芳香分、胶质和沥青质的含量；
(2)通过Materials Studio软件Sketch功能分别绘制基质沥青四组分典型代表分子结构模型并进行几何优化，根据基质沥青四组分含量分别确定各分子结构模型的数量，采用Amorphous Cell模块构建初始单个沥青系统晶胞模型a，在Forcite模块中进行几何结构优化，并对单个沥青系统晶胞模型进行密度、粘度、内聚能密度的模拟，以验证单个沥青系统晶胞模型的合理性；
(3)确定SBS改性剂在改性沥青中的掺量，利用Materials Studio软件中的Build模块绘制SBS改性剂的两个单体(苯乙烯和1，3-丁二烯)的重复单元，确定SBS聚合度后，由Block Copolymer模块构造SBS嵌段共聚物分子结构模型b；
(4)根据确定的SBS掺量(质量分数)，在Amorphous Cell模块中添加对应数量的SBS改性剂分子模型和沥青分子晶胞模型，构建初始的SBS改性沥青共混体系模型，进行能量优化后，得到SBS改性沥青共混体系晶胞模型ab；
(5)分别对单个沥青系统晶胞模a、SBS嵌段共聚物分子结构模型b和SBS改性共混体系模型ab进行不同温度下的分子动力学模拟，采用Amorphous Cell Analysis模块直接对各分子运动轨迹数据进行对比分析，得到不同温度下共混体系模型的内聚能密度、非键接能、范德华势能和静电势能，再分别根据如下公式计算溶度参数、非键接相互作用能、范德华相互作用能和静电相互作用能，以评价基质沥青和SBS改性剂之间的相容性，
式中，δ为溶解度参数；CED为内聚能密度，
En＝Eabn-Ean-Ebn
EV＝EabV-EaV-EbV
Es＝Eabs-Eas-Ebs
式中，En为a、b体系非键接相互作用能(kJ/mol)，EV为a、b体系范德华相互作用能(kJ/mol)，Es为a、b体系静电相互作用能(kJ/mol)，Eabn、Ean、Ebn分别为ab共混体系、a体系、b体系的非键接能(kJ/mol)，EabV、EaV、EbV分别为ab共混体系、a体系、b体系的范德华势能(kJ/mol)，Eabs、Eas、Ebs分别为ab共混体系、a体系、b体系的静电势能(kJ/mol)。
Claims (1)
1.一种基于分子动力学模拟的沥青与SBS相容性评价方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
(1)根据《石油沥青四组分测定法(NB/SH/T 0509-2010)》测试基质沥青四组分中的饱和分、芳香分、胶质和沥青质的含量；
(2)通过Materials Studio软件Sketch功能分别绘制基质沥青四组分典型代表分子结构模型并进行几何优化，根据基质沥青四组分含量分别确定各分子结构模型的数量，采用Amorphous Cell模块构建初始单个沥青系统晶胞模型a，在Forcite模块中进行几何结构优化，并对单个沥青系统晶胞模型进行密度、粘度、内聚能密度的模拟，以验证单个沥青系统晶胞模型的合理性；
(3)确定SBS改性剂在改性沥青中的掺量，利用Materials Studio软件中的Build模块绘制SBS改性剂的两个单体(苯乙烯和1，3-丁二烯)的重复单元，确定SBS聚合度后，由BlockCopolymer模块构造SBS嵌段共聚物分子结构模型b；
(4)根据确定的SBS掺量(质量分数)，在Amorphous Cell模块中添加对应数量的SBS改性剂分子模型和沥青分子晶胞模型，构建初始的SBS改性沥青共混体系模型，进行能量优化后，得到SBS改性沥青共混体系晶胞模型ab；
(5)分别对单个沥青系统晶胞模a、SBS嵌段共聚物分子结构模型b和SBS改性共混体系模型ab进行不同温度下的分子动力学模拟，采用Amorphous Cell Analysis模块直接对各分子运动轨迹数据进行对比分析，得到不同温度下共混体系模型的内聚能密度、非键接能、范德华势能和静电势能，再分别根据如下公式计算溶度参数、非键接相互作用能、范德华相互作用能和静电相互作用能，以评价基质沥青和SBS改性剂之间的相容性，
式中，δ为溶解度参数；CED为内聚能密度，
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20191122 |