CN114927170A - 一种基于分子动力学模拟的环氧沥青相容性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于分子动力学模拟的环氧沥青相容性评价方法，基于分子动力学模拟，构建环氧沥青的分子模型并进行结构弛豫，标记模型中的沥青相和树脂相，分别模拟环氧沥青分子模型、沥青相分子模型、树脂相分子模型的体系能量并计算相互作用能，以此指标来表示环氧沥青中环氧树脂与沥青的相容性，该方法克服了普通试验手段无法准确评价热固性环氧沥青相容性的难题，对环氧沥青相容性评价体系的建立提供了思路，对提高环氧沥青的稳定性具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于属于改性沥青相容性技术领域，具体涉及一种基于分子动力学模拟的环氧沥青相容性评价方法。
背景技术
随着交通运输事业的迅猛发展，交通量与轴载重量也逐步提高，传统的道路沥青已经无法满足更高的要求，目前广泛采用添加聚合物以改善胶结料的路用性能。常用的聚合物改性剂多为热塑性类材料，如丁苯橡胶(SBR)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)等。但是对于一些较为苛刻条件，如重载交通、长大纵坡、钢桥面铺装等场合，采用热塑性改性剂仍会较快出现车辙、裂缝等病害。
环氧沥青是由沥青、环氧树脂、固化剂组成的热固性材料，其中环氧树脂与固化剂发生固化反应形成交联网络结构，具有强度高、拉伸性能好，与集料的粘接性能优良等优点。目前，环氧沥青已相继在大跨径钢桥面、市政防滑彩色道路、抗滑薄层、长寿命及重载路面的铺装中使用。
但是，由于环氧树脂与沥青在分子量、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。此外，与其他热塑性改性沥青不同，热固型的环氧沥青还存在施工容留时间的限制，因此评价普通的改性沥青相容性的离析试验不适用于环氧沥青体系。此外，宏观试验还存在精确性差，受人为因素影响较大等问题。而基于微观试验如红外光谱法、显微分析法也存在无法动态描述化学结构变化的局限性。
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
分子动力学(MD)模拟是基于在原子尺度上确定的分子结构的材料设计和性能预测的有效方法。作为一种模拟方法，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。近年来，分子动力学模拟逐渐被应用于表征沥青和聚合物改性沥青的性能，包括热力学性能、氧化老化性能、自愈合行为以及与骨料的粘附行为，这就为环氧树脂与沥青的相容性研究提供了新的思路。
环氧沥青相容性的本质是体系中沥青相和树脂相之间的相互作用，在分子动力学中，可通过计算体系中的势能相互作用能、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定量地表征沥青相和环氧树脂相之间相互作用的强度。专利CN110489958中通过分别构建沥青和SBS分子模型的方式计算相互作用能，评价SBS改性沥青相容性。而环氧沥青属于热固性材料，由沥青相和环氧树脂相共同组成，其中环氧树脂发生固化反应形成交联网络，因此通过分别构建沥青和SBS分子模型的方式计算相互作用能评价SBS和沥青之间相容性的方法不适用于环氧沥青体系。
综上所述，目前使用的热塑性改性沥青相容性评价手段无法配适热固性环氧沥青体系，同时也并没有提出一种具体的用于评价环氧树脂与沥青相容性的评价方法。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于分子动力学模拟的环氧沥青相容性评价方法，本发明的目的在于克服现有测试方法对环氧沥青相容性研究的不足，提供一种基于分子动力学模拟的环氧沥青相容性的分析方法，过程规范、结果可靠合理。
作为本发明的技术方案，本发明提供一种基于分子动力学模拟的环氧沥青中沥青与环氧树脂相容性评价方法，其包括以下步骤：(1)获得具有稳定构型的基质沥青各组分代表分子；(2)通过Materials Studio软件Sketch功能绘制双酚A型环氧树脂的分子模型并进行几何优化，获得具有稳定构型的制双酚A型环氧树脂的分子；(3)根据沥青各组分的比例以及环氧树脂的占比，构建包含沥青各组分代表分子以及环氧树脂分子的环氧沥青分子模型EA，并经过弛豫过程获得其稳定构型的轨迹文件；(4)提取步骤(3)中所述的轨迹文件的最后100帧，计算环氧沥青分子模型的Energy，得到环氧沥青模型的势能Ep、非键能En、范德华势能Ev、静电势能Ee；(5)构建包含单独的环氧树脂相的分子模型E以及包含基质沥青的分子模型A，计算Energy，分别得到沥青相的势能Eap、非键能Ean、范德华势能Eav、静电势能Eae，以及树脂相的势能Eep、非键能Een、范德华势能Eev、静电势能Eee；(6)势能相互作用能Eip、非键能相互作用能Ein、范德华相互作用能Eiv和静电力相互作用能Eie表示相互作用能的来源，分别根据如下公式计算势能相互作用能Eip、非键能相互作用能Ein、范德华相互作用能Eiv和静电力相互作用能Eie，以评价环氧沥青体系中环氧树脂与基质沥青之间的相容性；
Eip＝Ep-Eap-Eep；
Ein＝En-Ean-Een；
Eiv＝Ev-Eav-Eev；
Eie＝Ee-Eae-Eee；
式中，Eip为环氧树脂体系E、沥青体系A的势能相互作用能(kJ/mol)，Ein为环氧树脂体系E、沥青体系A的非键能相互作用能(kJ/mol)，Eiv为环氧树脂体系E、沥青体系A的范德华相互作用能(kJ/mol)，Eie为环氧树脂体系E、沥青体系A的静电相互作用能(kJ/mol)；
(7)相互作用能为负数时表示环氧树脂体系E、沥青体系A相互吸引，相互作用能为负数时表示环氧树脂体系E、沥青体系A相互排斥。
优选的，步骤(3)中，所述弛豫过程中，每个NVT系综下的弛豫时长为1000ps，每1000步输出一帧构型，得到1000帧的轨迹文件。
优选的，步骤(3)中，所述弛豫过程之前，先在Forcite模块中进行20000步的几何优化。
优选的，步骤(7)中，相互作用能的绝对值越大表示相互作用越强。
优选的，环氧沥青中环氧树脂的质量分数占比为20％-80％。
本发明的有益效果如下：
本发明基于分子动力学模拟，通过Materials Studio软件，构建环氧沥青分子模型，并分离沥青分子模型、环氧树脂分子模型，计算相互作用能，并以此作为相容性指标评价环氧沥青体系中沥青相和树脂相的相容性。本研究的相容性评价方法克服了普通试验手段无法准确评价热固性环氧沥青相容性的难题，对环氧沥青相容性评价体系的建立提供了思路，对提高环氧沥青的稳定性具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案和实施例，本发明进行了环氧沥青分子模型、环氧沥青的沥青相分子模型、环氧沥青的树脂相分子模型的附图，通过分子模型计算能量体系，进一步计算相互作用能，表征相容性。
图1：环氧树脂含量25％的环氧沥青分子模型，图中突出显示的是环氧树脂分子，其余为沥青分子；
图2：环氧树脂含量25％的环氧沥青的沥青相分子模型；
图3：环氧树脂含量25％的环氧沥青的树脂相分子模型；
图4：相互作用能随环氧树脂含量的变化图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本申请作进一步说明。
实施例1：
本发明的目的在于克服现有测试方法对环氧沥青相容性研究的不足，提供一种基于分子动力学模拟的环氧沥青相容性的分析方法，采用准确度更高的4组分12分子模型沥青模型表示沥青相，过程规范、结果可靠，具体实施步骤如下：
(1)基于沥青的4组分12分子模型，通过Materials Studio软件Sketch功能分别绘制基质沥青各组分代表分子的分子模型并进行几何优化，寻找合理的分子键长、键角，得到具有稳定构型的各组分代表分子。
(2)通过Materials Studio软件Sketch功能绘制双酚A型环氧树脂的分子模型并进行几何优化，得到具有稳定构型的双酚A型环氧树脂分子。
(3)根据沥青4组分12分子沥青模型AAA-1确定基质沥青各分子的数量，采用Amorphous Cell将步骤(1)中的沥青各组分的代表分子以及步骤(2)所构建的双酚A型环氧树脂分子混合，体系初始密度设置为0.1gcm3，构建成一个具有周期性边界条件的立方体盒子EA，其中环氧树脂的质量占比为25％。在Forcite模块中进行20000步的几何优化，即分别进行NVT系综下500ps的分子动力学计算，NPT系综下500ps的分子动力学计算和另一个NVT系综下1000ps的分子动力学计算，最后1000psNVT得到的1000帧构型是为了环氧沥青模型得到进一步的扩散。并每1000步输出一帧构型，得到1000帧的轨迹文件并形成稳定的环氧树脂含量为25％的环氧沥青分子模型，最后一百帧的时候模型更稳定。如附图1所示，其中黑色分子代表沥青相，黄色分子代表环氧树脂相。
(4)提取步骤(3)中的1000帧轨迹文件中的最后100帧，在Forcite模块中针对所述100帧轨迹文件计算Energy，可以使计算出来的数值波动更小，得到环氧沥青模型的势能Ep、非键能En、范德华势能Ev、静电势能Ee。
(5)采用Edit对环氧沥青体系中的环氧树脂相及沥青相进行标记，并在环氧沥青分子模型中分别删去环氧树脂相和沥青相，分别形成单独包含环氧树脂相的立方体盒子E以及单独包含基质沥青的立方体盒子A，分别如附图2和附图3所示。在Forcite模块中针对所述环氧树脂模型、基质沥青模型计算Energy，分别得到沥青相的势能Eap、非键能Ean、范德华势能Eav、静电势能Eae、能Eep、非键能Een、范德华势能Eev、静电势能Eee。
(6)分别根据如下公式计算势能相互作用能Eip、非键能相互作用能Ein、范德华相互作用能Eiv和静电力相互作用能Eie，以评价环氧树脂含量为25％时的环氧沥青体系中环氧树脂与基质沥青之间的相容性。
Eip＝Ep-Eap-Eep；
Ein＝En-Ean-Een；
Eiv＝Ev-Eav-Eev；
Eie＝Ee-Eae-Eee；
式中，Eip为环氧树脂体系E、沥青体系A的势能相互作用能(kJ/mol)，Ein为环氧树脂体系E、沥青体系A的非键能相互作用能(kJ/mol)，Eiv为环氧树脂体系E、沥青体系A的范德华相互作用能(kJ/mol)，Eie为环氧树脂体系E、沥青体系A的静电相互作用能(kJ/mol)；
(7)改变环氧树脂含量为45％，重复步骤(2)～(6)。
(8)改变环氧树脂含量为65％，重复步骤(2)～(6)。
(9)绘制环氧树脂含量分别为25％、45％和65％的环氧沥青的势能相互作用能Eip、非键能相互作用能Ein、范德华相互作用能Eiv和静电力相互作用能Eie均为负值，取其绝对值绘图如附图4所示。
(10)根据附图4，对环氧树脂含量分别为25％、45％和65％的环氧沥青中沥青相和环氧树脂相的相容性进行评价：环氧树脂含量的升高有助于环氧沥青中沥青相和环氧树脂相相互作用能的增大，环氧树脂含量为65％的环氧沥青相容性优于环氧树脂含量为45％及25％的环氧沥青。
本发明通过分子动力学模拟手段，提供了环氧沥青中沥青相和环氧树脂相相容性的评价方法，对环氧沥青相容性评价体系的建立提供了新的思路。本发明基于分子动力学模拟，构建环氧沥青的分子模型并进行结构弛豫，标记模型中的沥青相和树脂相，分别模拟环氧沥青分子模型、沥青相分子模型、树脂相分子模型的体系能量并计算相互作用能，以此指标来表示环氧沥青中环氧树脂与沥青的相容性，具体的技术方案为：首先通过Materialsstudio软件构建沥青和双酚A型环氧树脂混合模型，并进行几何优化和结构弛豫，得到具有稳定构型的环氧沥青分子模型并保存轨迹文件。标记环氧沥青分子模型中的沥青相和树脂相并分别删除，得到单独沥青相和树脂相的分子模型。对模型进行分子动力学模拟，得到环氧沥青混合模型及沥青相、环氧树脂相单独模型的势能、非键能、范德华势能、静电势能，并分别按照公式计算势能相互作用能Eip、非键能相互作用能Ein、范德华相互作用能Eiv和静电力相互作用能Eee。相互作用能为负数时表示环氧树脂体系E、沥青体系A相互吸引，相互作用能为负数时表示环氧树脂体系E、沥青体系A相互排斥。相互作用能的绝对值越大表示相互作用越强。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (5)
1.一种基于分子动力学模拟的环氧沥青中沥青与环氧树脂相容性评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)获得具有稳定构型的基质沥青各组分代表分子；
(2)通过Materials Studio软件Sketch功能绘制双酚A型环氧树脂的分子模型并进行几何优化，获得具有稳定构型的制双酚A型环氧树脂的分子；
(3)根据沥青各组分的比例以及环氧树脂的占比，构建包含沥青各组分代表分子以及环氧树脂分子的环氧沥青分子模型EA，并经过弛豫过程获得其稳定构型的轨迹文件；
(4)提取步骤(3)中所述的轨迹文件的最后100帧，计算环氧沥青分子模型的Energy，得到环氧沥青模型的势能Ep、非键能En、范德华势能Ev、静电势能Ee；
(5)构建包含单独的环氧树脂相的分子模型E以及包含基质沥青的分子模型A，计算Energy，分别得到沥青相的势能Eap、非键能Ean、范德华势能Eav、静电势能Eae，以及树脂相的势能Eep、非键能Een、范德华势能Eev、静电势能Eee；
(6)势能相互作用能Eip、非键能相互作用能Ein、范德华相互作用能Eiv和静电力相互作用能Eie表示相互作用能的来源，分别根据如下公式计算势能相互作用能Eip、非键能相互作用能Ein、范德华相互作用能Eiv和静电力相互作用能Eie，以评价环氧沥青体系中环氧树脂与基质沥青之间的相容性；
Eip＝Ep-Eap-Eep；
Ein＝En-Ean-Een；
Eiv＝Ev-Eav-Eev；
Eie＝Ee-Eae-Eee；
式中，Eip为环氧树脂体系E、沥青体系A的势能相互作用能(kJ/mol)，Ein为环氧树脂体系E、沥青体系A的非键能相互作用能(kJ/mol)，Eiv为环氧树脂体系E、沥青体系A的范德华相互作用能(kJ/mol)，Eie为环氧树脂体系E、沥青体系A的静电相互作用能(kJ/mol)；
(7)相互作用能包括为负数时表示环氧树脂体系E、沥青体系A相互吸引。
2.根据权利要求1中所述的基于分子动力学模拟的环氧沥青中沥青与环氧树脂相容性评价方法，其特征在于：步骤(3)中，所述弛豫过程中，每个NVT系综下的弛豫时长为1000ps，每1000步输出一帧构型，得到1000帧的轨迹文件。
3.根据权利要求2中所述的基于分子动力学模拟的环氧沥青中沥青与环氧树脂相容性评价方法，其特征在于：步骤(3)中，所述弛豫过程之前，先在Forcite模块中进行20000步的几何优化。
4.根据权利要求1中所述的基于分子动力学模拟的环氧沥青中沥青与环氧树脂相容性评价方法，其特征在于：步骤(7)中，相互作用能的绝对值越大表示相互作用越强。
5.根据权利要求1中所述的基于分子动力学模拟的环氧沥青中沥青与环氧树脂相容性评价方法，其特征在于：环氧沥青中环氧树脂的质量分数占比为20％-80％。
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| CN110489858A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-11-22 | 南京林业大学 | 基于分子动力学模拟的沥青与sbs相容性评价方法 |
| CN111863144A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-10-30 | 南京林业大学 | 一种基于界面相互作用的沥青与改性剂相容性评价方法 |
| CN112347714A (zh) * | 2020-08-28 | 2021-02-09 | 华南理工大学 | 一种基于分子动力学模拟的木质素改性沥青的评价方法 |
-
2022
- 2022-05-23 CN CN202210565175.1A patent/CN114927170A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117012292A (zh) * | 2023-08-03 | 2023-11-07 | 盐城师范学院 | 自驱粒子浴中树形分子结构的研究模拟方法及系统 |
| CN117012292B (zh) * | 2023-08-03 | 2024-02-09 | 盐城师范学院 | 自驱粒子浴中树形分子结构的研究模拟方法及系统 |
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