1、无机盐对C12E5-HPAM复合体系界面性质影响的分子模拟研究摘 要本论文主要以部分水解的聚丙烯酰胺（HPAM）和五甘醇单十二烷基醚（C12E5）为研究对象，采用分子动力学模拟的方法构建C12E5-HPAM复配体系模型，研究HPAM浓度和无机盐种类（CaCl2、MgCl2、NaCl）对C12E5-HPAM复配体系界面性质的影响。研究表明：在C12E5-HPAM复配体系中，随着HPAM浓度增大，C12E5和HPAM周围水分子数目增多，体系界面水层厚度增加；HPAM与Na+之间的静电吸引作用增强，界面双电层的厚度增大。然而，无机盐种类对C12E5头基周围水分子的分布没有明显影响，但无机盐离子能够穿
2、透HPAM羧基周围第一水化层，且无机盐影响HPAM羧基与水分子间相互作用的强弱顺序依次为Mg2+ Na+ Ca2+。关键词：无机盐；表面活性剂-聚合物复配体系；界面性质；相互作用Effects of Inorganic Salts on the Interfacial Properties of C12E5-HPAM Mixtures by Molecular Dynamics SimulationAbstractThis paper mainly centers on the partially hydrolyzed polyacrylamide (HPAM) and pentaethyle
3、ne glycol monododecyl (C12E5).By constructing the C12E5-HPAM mixtures,we use the molecular dynamics simulation to study the effects of the concentration of HPAM and inorganic salts (CaCl2, MgCl2, NaCl) on the interfacial properties of mixtures. The results show that the concentration of HPAM has eff
4、ect on the water distribution around the carboxyl group of HPAM and the head group of C12E5. With the increase of HPAM concentration, the number of water molecules around C12E5 and HPAM increases, and the thickness of interfacial water layer also increases. In the C12E5-HPAM mixtures, inorganic salt
5、s has little effect on the water distribution around head groups of C12E5. However, salt ions can penetrate the hydration layer of HPAM carboxyl group, and the order of the influence of inorganic salts on the interaction between HPAM carboxyl and water molecules is as follows : Mg2+ Na+ Ca2+. Keywor
6、ds: Inorganic salt; Surfactant-polymer mixtures; Interfacial properties; Interaction 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）目 录第1章 引言11.1 表面活性剂简介11.1.1 表面活性剂的定义及结构特征11.1.2 表面活性剂的分类21.2 表面活性剂与聚合物的相互作用31.2.1 影响因素31.2.2 相互作用机理5第2章 理论计算方法或模拟软件介绍62.1 分子力学方法62.2 分子动力学模拟62.3 Material Studio软件简介7第3章 HPAM浓度对C12E5-HPAM复配体系界面性质的
7、影响83.1 引言83.2 模型构建方法与过程93.3 结果讨论分析103.3.1 HPAM浓度对体系界面层的影响103.3.2 HPAM浓度对体系水分子分布的影响123.3.3 HPAM浓度对体系界面双电层的影响153.4 本章小结17第4章 无机盐对C12E5-HPAM复配体系界面性质的影响184.1 模型构建方法与过程184.2 结果与讨论184.2.1 无机盐种类对体系界面层的影响184.2.2 无机盐种类对C12E5的影响204.2.3 无机盐种类对HPAM的影响224.2.4 无机盐种类对组分扩散行为的影响254.3 本章小结29第5章 结论30致 谢31参考文献32第1章 引言6
8、第1章 引言第1章 引言三次油田开采技术，亦可称为“强化采油提高采收率技术”，主要利用一系列的生物，物理和化学等方法开采油田中不动油的技术1。当今已形成的三次开采技术主要包含化学驱、热驱、气驱和微生物驱2。中国作为能源大国，人民对能源的需求不断增长，提高原油采收率势在必行。我国在复合驱、蒸汽吞吐和聚合物驱的应用上远超其他国家，其中聚合物驱主要应用在大庆油田，二元复合驱和高温高盐聚合物驱已在胜利油田实现大规模应用3。聚合物驱能够有效地改善流度比，表面活性剂驱在改变残余油和表面张力方面更具优势，但是由于聚合物驱和表面活性剂驱相对于气驱和热驱的成本更高，并没有得到大规模地推广4。因此聚合物-表面活性
9、剂复合驱具有更高的可行性，一方面聚合物具有粘弹性，能够增加驱替液的粘度，控制流度，提高波及范围；另一方面表面活性剂能够降低界面张力，改善微观驱油效率，二者的协同作用能够极大地改善采油效率并且降低化学剂成本5。由于实际实验条件的限制，对于聚合物-表面活性剂驱的研究十分有限，因此本论文采用MD方法研究C12E5-HPAM复配体系的微观性质，探究体系中各组分的作用机理以及无机盐和不同浓度HPAM对C12E5-HPAM复配体系的影响。1.1 表面活性剂简介1.1.1 表面活性剂的定义及结构特征表面活性剂是一种能够以极低的浓度将溶剂的表面张力显著降低的物质,其单体的基本组成是具有极性的亲水基（与水等极性
10、物质相亲）和不具有极性的亲油基（与油等非极性物质相亲），这样的分子组成决定它具有双亲性，但是又不会完全亲水或亲油，其亲油亲水性质的平衡影响它的微观性质6。一般而言，亲油基为长烃链，按照烃链中碳的个数，可以将其大致分为水溶性和油溶性。若碳少于12个，则表现为水溶性，亲水基能够把整个分子拉入水中。若碳大于14个，则表现为油溶性。作为一种化学驱油剂，它不仅具有应用范围广，提高油藏采收率幅度大，发展潜力大的优点，而且能够改变油层的润湿性，显著降低油水界面张力7。由于结构中同时具有亲水基和亲油基，这样的组成使得它能够在油水界面处定向排列，形成独特的吸附层，进而降低溶剂的界面张力8。它溶于水后，亲水基受到
11、水的吸引甚至会将烃链亲油基拉入水溶液中，而亲油基由于被水排斥，有逃离水溶液的趋势。为了维持体系的稳定状态,表面活性剂就会吸附在溶液的界面,使得亲油基向气相延伸,亲水基向水相延伸，形成定向单分子层吸附,导致界面张力下降,表现出表面活性9。这种特殊的分子组成使其易于富集在表面，但是能够富集在表面的含量仍存在一个最大的限度，即临界胶束浓度（cmc）10，大于cmc，它就会在溶液中形成胶束，不能继续溶于水中，此时再增加它的浓度也不会改变溶液的表面性质，不能够再继续降低表面张力。1.1.2 表面活性剂的分类通常根据它溶于水后，生成离子与否及其极性基电离特性，将它划分为离子和非离子两大基本类型。（1）阴离
12、子表面活性剂它是用途最广泛，使用量最大的一类表面活性剂，约占总产量的40%以上11，溶于水后会电离出带负电的阴离子活性基团，根据基团的特性不同，又可将其分为几种不同类型：具有乳化和洗涤作用的R-COONa,即羧酸盐型；具有良好洗涤性和发泡性的R-OSO3Na，其可以在硬水中稳定存在，使溶液显中性和弱碱性；根据不同的烷基链长可表现出不同的活性，这一类型是R-SO3Na，用途更加广泛，可作发泡剂，乳化剂，洗涤剂等；另外一种是R-OPO3Na，具有抗静电和增稠作用12。在三次采油中磺酸盐类比较常用，主要包含石油磺酸盐，烷基磺酸盐和烷基芳基磺酸盐等13。（2）阳离子表面活性剂这一类型的显著特点是其溶于
13、水电离后，亲水基带正电，它一般不会用作洗涤剂，主要因为它易与基质上的油污发生作用，不具有洗涤功效。除此之外，它的用途广泛，可以抗静电，用作护发素和焗油膏等。目前常见的阳离子表面活性剂仍是含氮化合物14，按照氮的位置可将其划分为三种类型，分别是杂环型，胺盐和季铵盐15。（3）两性离子表面活性剂结构中具有彼此不可被电离的阴、阳离子电荷中心，其性质与阴、阳离子表面活性剂均不同16。普遍意义上，它可以按照阴阳离子电荷中心氮原子分成两类，分别是含弱碱性氮和含强碱性氮的表面活性剂17。它具有许多优良的性质，如乳化性，低毒性，低刺激性，抗静电性和抗菌抑霉等18。（4）非离子表面活性剂它在水中不发生电离，亲水
14、基以-OH或醚键为主,醚基中的氧及-OH通过与水中的氢形成氢键而产生亲水性19-20。一般-OH或醚键要达到一定的数量才能够发挥亲水基的亲水性，一个-OH或是醚键的亲水性太弱。它能够在溶液中稳定存在，耐强电解质、强酸、强碱，并能够与其他物质混合使用，具有相容性好的优点，相较于其他类型，它具有更高的乳化能力，以及更好的润湿性和除污洗涤性能21。1.2 表面活性剂与聚合物的相互作用在二元复合驱中，表面活性剂与聚合物存在相互作用，能够改变聚合物的构象，使其能够更加容易吸附在固态物质的表面，改变界面行为；也可以改变表面活性剂的物理化学性质22，即使在低于cmc的情况下，也能够增加溶解度；二者的相互作用
15、会导致整个体系的粘度，表面张力，界面吸附行为等性质发生改变23。通常情况下，它们的相互作用可能是由氢键，疏水作用，偶极作用和库伦力产生的23，受表面活性剂或聚合物的分子结构，电荷等因素的影响。一般能够与表面活性剂发生相互作用的聚合物主要是水溶性的，包括聚电解质，水溶性非离子均聚物和疏水缔合的非离子共聚物23,二者可能会产生协同效应，也会产生非协同效应，这主要取决于两种物质的类型以及其他相关因素。1.2.1 影响因素影响因素大致分为两类，外部因素和内部因素，其中内部因素起决定作用，包括两种物质本身的性质，而外部因素主要有温度，无机电解质，溶液的酸碱度和氢键等。（1）温度通常，温度越高，相互作用越弱，越不容易发生缔合，离子型表面活性剂的cmc就越大。一般来说，温度对表面活性剂的cmc具有复杂的影响30。在很大的温度范围内，cmc是随着温度的升高先减小后增大24，在某一温度时达到最低cmc。这主要是因为温度对亲水基和亲油基的影响存在差异。温度越高，胶束越容易形成，不利于亲水基的水合，而高温会破坏亲油基周围水
