油相對陰離子型和非離子型泡沫穩(wěn)定性的影響-畢業(yè)論文

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）</p><p>　　題目：油相對陰離子型和非離子型泡沫穩(wěn)定性的影響</p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　學(xué)號： </b></p><p>　　專業(yè)班級：材料物理 </p><p&

2、gt;<b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　20XX年 6 月 16 日</p><p>　　中國石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　油相對陰離子型和非離子型泡沫穩(wěn)定性的影響</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　

3、　本文采用分子動力學(xué)方法模擬了含有油相的陰離子型（SDS）泡沫和非離子型（C12E5）</p><p>　　泡沫的穩(wěn)定性。通過提取油相和泡沫共存體系中各組分的密度分布、徑向分布和均方位</p><p>　　移等參數(shù)，研究了假乳液膜破裂的臨界厚度以及破裂后液膜的結(jié)構(gòu)變化，初步揭示了油</p><p>　　相影響泡沫穩(wěn)定性的方式。研究結(jié)果表明，當(dāng)液膜排液到一定程度時，兩

4、種泡沫體系中的假乳液膜均發(fā)生破裂。SDS 泡沫中，油相在假乳液膜破裂后連接液膜兩側(cè)形成油橋，油橋易被外力破壞導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性降低；C12E5 泡沫中，油相在假乳液膜破裂后全部進入氣/液界面，鋪展在液膜表面的油相與 C12E5 相互作用，導(dǎo)致頭基結(jié)合水分子的數(shù)目減</p><p>　　少，液膜排液速度加快，泡沫穩(wěn)定性降低。</p><p>　　關(guān)鍵詞：分子動力學(xué)模擬；假乳液膜；油相；穩(wěn)定性&l

5、t;/p><p>　　中國石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　The effect of oil on anionic and nonionic foam stability</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　We investigate the stabilit

6、y of anionic (SDS) foam and nonionic (C12E5) foam containing oil phase by molecular dynamics study. The critical thickness of pseudoemulsion film and the structure change of liquid film after rupture are investigative by

7、 the density distribution of each component in coexistent system of oil and foam, radial distribution and mean square displacement. Initially revealed the way that oil phase affects foam stability. The obtained results c

8、learly show that: the pseudoemuls</p><p>　　Keywords：Molecular Dynamics Simulation；Pseudoemulsion film；Oil phase；Stability</p><p>　　中國石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　中國石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計（論文）

9、</p><p><b>　　第 1 章前言</b></p><p><b>　　第 1 章前言</b></p><p>　　泡沫已被廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域，比如礦物浮選[1]、造紙業(yè)[2]、食品業(yè)[3]、石油工業(yè)[4]、</p><p>　　消防[5]和化工[6]等。泡沫是含有分散相（氣泡）和連續(xù)

10、相（液膜）的膠體體系。在泡沫</p><p>　　中，親水頭基和疏水尾鏈組成的表面活性劑可以對穩(wěn)定泡沫起到關(guān)鍵的作用[7]。由于其</p><p>　　特殊結(jié)構(gòu)，表面活性劑傾向于吸附在氣/液界面，親水頭基在水相中，疏水尾鏈伸向空氣</p><p>　　中，這樣能夠降低液膜的表面張力，減緩排液速度，以此來阻止泡沫破裂[8]。由于泡沫</p><p&

11、gt;　　具有靜液壓力低、排液慢、表觀粘度高、體積波及系數(shù)大及對地層傷害小等特性，在油</p><p>　　氣開采中有著很廣闊的應(yīng)用前景。但是，當(dāng)泡沫與原油接觸時，泡沫流體的流動性和穩(wěn)</p><p>　　定性會受到影響，多數(shù)情況下，原油會顯著降低泡沫的穩(wěn)定性[9]。因此，油-水-氣三相泡</p><p>　　沫的穩(wěn)定性是阻礙泡沫應(yīng)用在三次采油領(lǐng)域的主要問題，也是目

12、前研究的關(guān)鍵。</p><p>　　三相泡沫的穩(wěn)定機理與兩相泡沫相比要復(fù)雜的多，兩相泡沫只是在含有表面活性劑</p><p>　　的液體中分散著氣泡，氣泡被液膜分隔開來，這種泡沫很常見[10]，穩(wěn)定機理也已經(jīng)較為</p><p>　　清楚。而三相泡沫中還分散著油滴，油滴以乳狀液滴的形式存在于液膜中。乳狀液滴的</p><p>　　尺寸不一，在

13、液膜中的存在位置不同，在泡沫破裂過程中起到的作用也尚不清楚。近年</p><p>　　來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，分子模擬已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在泡沫體系性質(zhì)的研究中[11]。利</p><p>　　用分子模擬來研究原油對泡沫破壞的機理，可以從分子水平揭示原油與泡沫的相互作用</p><p>　　機制，有助于從微觀角度明確油相的消泡機理，這對泡沫驅(qū)提高原油采收率的現(xiàn)場應(yīng)用&l

14、t;/p><p>　　具有一定的指導(dǎo)意義。</p><p><b>　　1.1 泡沫介紹</b></p><p>　　1.1.1 泡沫的定義</p><p>　　對泡沫的定義，多名學(xué)者提出了不同的見解。二十世紀六十年代初期，美國化學(xué)家</p><p>　　L.I.Osipow 認為[12]：由于泡沫的

15、壁厚不同，泡沫中液相和氣相所占的比重不同，液相比</p><p>　　重高的泡沫可以近似為液體，氣相比重高的泡沫可以近似為氣體。二十世紀七十年代以</p><p>　　來，各國學(xué)者對泡沫的認識是從泡沫中液體與氣體的比率開始的。美國學(xué)者 R.F.Smith 認</p><p>　　為[13]，泡沫是密度與氣體相近的“氣液”分散體系。日本學(xué)者提出[14]：泡沫是大量的氣

16、</p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　第 1 章前言</b></p><p>　　體散亂分布在少量液體中的分散體系。若液體中分布著少量的氣泡，氣泡之間不會互相</p><p>　　接觸，這樣的體系稱為“氣體乳液”。當(dāng)“氣體乳液”中的液體比例降低時，會形成比表<

17、/p><p>　　面積高、由薄液膜包裹著氣泡組成的泡沫。中國的研究者趙國璽則認為[15]：泡沫是氣體</p><p>　　以氣泡的形式分散在液體中的分散體系。液體是連續(xù)的分散介質(zhì)，氣體則是不連續(xù)的分</p><p>　　散相，由于氣體的密度比液體小很多，所以氣泡會在浮力作用下自發(fā)向液體表面移動，</p><p>　　最終大量的氣泡在液體表面聚集，

18、形成氣泡聚集體。近年來一直研究消泡問題的日本學(xué)</p><p>　　者伊藤光一認為[16]：當(dāng)泡沫中液體的體積比氣體的大時，液體中的氣泡基本上是球形的，</p><p>　　氣泡間的相互作用很弱；只有當(dāng)氣體體積很大時才會形成密集的真正的泡沫，此時液體</p><p>　　成為薄液膜，氣泡彼此相連構(gòu)成多面體堆積起來。</p><p>　　1.1

19、.2 泡沫的形成及結(jié)構(gòu)</p><p>　　純液體是不能形成泡沫的，雖然在日常生活中可能會在水中形成氣泡，但是氣泡存</p><p>　　在的時間很短，一旦離開水面很快就會破裂[17]，更不會大量聚集形成泡沫。要想形成穩(wěn)</p><p>　　定的泡沫體系，液體中至少要有兩種及兩種以上的成分，起泡劑和起泡液體是生成泡沫</p><p>　　的先

20、決條件，有時候還需要穩(wěn)泡劑等物質(zhì)。表面活性劑是生產(chǎn)生活中應(yīng)用最廣泛的起泡</p><p>　　劑之一，通常親水親油平衡值（HLB）在 9-15 之間的表面活性劑都可以作為起泡劑。起</p><p>　　泡液體絕大多數(shù)是水，也有超臨界二氧化碳等特殊的起泡液體。而醇和胺等氧化物可以</p><p>　　作為穩(wěn)泡劑使用。常見的泡沫是在水中加入表面活性劑后，通過攪拌或者通入

21、氣體生成</p><p>　　的，水中加入蛋白質(zhì)等大分子的體系也可以生成穩(wěn)定的泡沫。</p><p>　　向水中加入起泡劑后，起泡劑會吸附在氣/液界面上，也有部分起泡劑會存在于水相</p><p>　　中。由于起泡劑具有兩親性質(zhì)，氣/液界面上的起泡劑的親水基團在水中，疏水基團伸向</p><p>　　空氣中，而水相中的起泡劑大多以膠束形式存在

22、。通入氣體后，水相中的起泡劑包覆在</p><p>　　氣泡周圍，形成一個氣泡。由于浮力作用，氣泡上升到液面上時，包覆著起泡劑的氣泡</p><p>　　與吸附在氣/液界面的起泡劑接觸便形成了兩個氣/液界面。起泡劑就會在內(nèi)外兩個氣/液</p><p>　　界面上形成雙吸附層（如圖 1-1 所示）。雙吸附層中的水在兩側(cè)起泡劑的作用下形成穩(wěn)定</p>&l

23、t;p>　　的液膜。當(dāng)產(chǎn)生很多這樣的氣泡時，氣泡就會聚集在一起，形成生活中常見的，蜂窩狀</p><p><b>　　的泡沫。</b></p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　第 1 章前言</b></p><p>　　圖 1-1 起泡劑在泡

24、沫上的吸附</p><p>　　Fig.1-1 Adsorption of foaming agent in the foam</p><p>　　生活中見到的泡沫從外觀上給人雜亂無章的感覺，而實際上泡沫的結(jié)構(gòu)是相當(dāng)規(guī)則</p><p>　　的（如圖 1-2 所示）。根據(jù) 19 世紀比利時科學(xué)家 Joseph A. F. Plateau 提出的的平衡條件。</

25、p><p>　　液態(tài)泡沫中有且只能有四個氣泡組成一組相互作用的基本單元。基本單元中的三個氣泡</p><p>　　會組成一個三角形的 Plateau 通道，它的曲率半徑介于 1 μm 到 1 mm 之間，體積約占氣</p><p>　　泡的 1/3，泡沫中的液體就在 Plateau 通道中流動。四個 Plateau 通道組成一個交匯點，</p><p

26、>　　兩個氣泡相接觸構(gòu)成一個泡沫液膜。泡沫液膜之間會構(gòu)成一個 120°的二面角，而 Plateau</p><p>　　通道間會形成一個四面角，角度為 cos-1（-1/3）≈109.47°。</p><p>　　圖 1-2 液相泡沫的基本結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　Fig.1-2 The basic structure of a li

27、quid bubble diagram</p><p>　　1.1.3 泡沫的分類</p><p>　　對泡沫的分類有多種方法，由于研究目的不同，分類方法上也有很大的差別，常用</p><p>　　的分類方法有以下幾種：</p><p>　?。?）根據(jù)泡沫壽命的長短不同，可以將泡沫分為“穩(wěn)定泡沫”和“非穩(wěn)定泡沫”，</p>&l

28、t;p>　　但是這個“穩(wěn)定”與“非穩(wěn)定”只是一個相對的概念，并沒有嚴格的時間界限來劃分。</p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　第 1 章前言</b></p><p>　?。?）根據(jù)泡沫中氣相與液相的比例不同，如果泡沫體系中氣體所占的體積大于液</p><p>

29、　　體，則為“干泡沫”，若泡沫體系中液體所占的體積大于氣體，則為“濕泡沫”。</p><p>　?。?）根據(jù)泡沫存在的環(huán)境不同，如若裝有泡沫的容器的半徑 R 大于泡沫體系中氣</p><p>　　泡的平均半徑 r，則該泡沫為“松散泡沫”，否則稱為“封閉泡沫”或者“液膜結(jié)構(gòu)泡沫”。</p><p><b>　　1.2 泡沫的衰變</b></

30、p><p>　　1.2.1 泡沫衰變的過程</p><p>　　泡沫是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，一定量的泡沫生成后，隨著時間的推移，泡沫會發(fā)</p><p>　　生衰變。這是由三個過程決定的：</p><p>　?。?）泡沫排液：在重力的作用下，泡沫的液膜、Plateau 邊界以及交匯點處的液體</p><p>　　會滲流而出

31、，導(dǎo)致泡沫中的液體減少。</p><p>　?。?）氣泡粗化：由于泡沫中的氣泡大小不同，所以氣泡中的壓力也不一樣，根據(jù)</p><p>　　Laplace 方程（式 1-1），小氣泡中的壓力比大氣泡中大，使小氣泡中的氣體穿過液膜擴</p><p>　　散到大氣泡中去，直至小氣泡消失不見。這樣，隨著時間的變化，泡沫中氣泡的平均直</p><p>

32、;　?。?）液膜破裂：隨著泡沫中液體的含量不斷降低，相鄰兩個氣泡間的液膜破裂，使</p><p>　　氣泡發(fā)生聚并，進而導(dǎo)致泡沫的衰變。</p><p>　　由于這三個過程相互作用，使泡沫呈現(xiàn)出隨時間不斷變化的非平衡特性，最終達到</p><p><b>　　平衡狀態(tài)。</b></p><p>　　1.2.2 泡沫衰變的

33、機理</p><p>　　泡沫衰變主要包括排液和氣體擴散兩種方式：泡沫排液是在重力等作用下，液膜中</p><p>　　的液體流失造成液膜變?。慌菽袣怏w的擴散是由于液膜致密性不夠，氣泡中的氣體透</p><p>　　過液膜擴散出來，導(dǎo)致氣泡變小。這兩種方式都與液膜的性質(zhì)以及液膜與 Plateau 邊界</p><p>　　間的相互作用有直接

34、關(guān)系。</p><p>　　泡沫中液體流失主要是由于重力和氣泡的相互擠壓導(dǎo)致的。氣泡擠壓主要因為曲面</p><p>　　壓力，圖 1-3 表示三個氣泡交界處形成的 Plateau 邊界，根據(jù) Laplace 方程可以導(dǎo)出：</p><p><b>　　第 1 章前言</b></p><p>　　式中，PA為圖 1-3

35、 中 A 處的液體壓力；PB為 B 處的液體壓力；σ 為表面張力；R 為</p><p>　　氣泡的半徑。根據(jù)式（1-2）可知，B 處液體的壓力比 A 處大，因此由 B 處向 A 處形成</p><p>　　壓差，泡沫膜中的液體自發(fā)地從 B 處流向 A 處，這使得液膜不斷變薄，最終導(dǎo)致破滅。</p><p>　　1-3 Plateau 邊界 Fig.1-3 Plat

36、eau border</p><p>　　De Vries[18]曾詳細研究過氣泡間氣體的擴散過程，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)小氣泡被大氣泡包圍時，</p><p>　　小氣泡半徑的平方隨著時間增長而線性減小，泡沫總數(shù)則隨著時間平方的倒數(shù)的減小而</p><p>　　減小。隨著時間推移，泡沫出現(xiàn)這種粒徑不均一的情況，與 Ostwald 陳化[19]相似。并且，</p>

37、<p>　　研究表明，氣體從較小的體積中轉(zhuǎn)移到較大的體積中的驅(qū)動力來源于表面能的降低，</p><p>　　Lemlich[20]以此提出了氣泡生長的定律：</p><p>　　式（1-3）ri中為第 i 個氣泡的半徑，t 為時間，r21為瞬時平均半徑（ri大于r21的氣泡</p><p>　　會長大，ri小于r21的氣泡會變小），K 為一個參數(shù)。Ross

38、 等用（1-3）式計算，發(fā)現(xiàn)計算</p><p>　　結(jié)果與實測值有很大的誤差，這主要是因為（1-3）式只考慮了氣泡中氣體的擴散，沒有</p><p>　　將液膜排液過程考慮在內(nèi)。</p><p>　　1.3 油相對泡沫穩(wěn)定性的影響</p><p>　　一般來說，油相對泡沫有破壞作用。但也有研究表明，當(dāng)油相與泡沫共存時，液膜</p>

39、;<p>　　Plateau 邊界中的乳化油滴對泡沫有穩(wěn)定作用。三相泡沫的穩(wěn)定性機理比兩相泡沫要復(fù)雜的多。近年來也有很多學(xué)者[21-23]研究油相對泡沫穩(wěn)定性的影響機理，但由于研究對象及實驗條件不一致，分別從不同的方面提出了對油相消泡機理的解釋但目前還沒有形成一個統(tǒng)一的、明確的認識。要想深入理解油相對泡沫穩(wěn)定性的影響，有必要從更加微觀角度對兩者間的相互作用進行分析，因此本課題采用分子動力學(xué)方法模擬了三相泡沫</p&g

40、t;<p><b>　　5</b></p><p><b>　　第 1 章前言</b></p><p>　　液膜在排液過程中的變化，研究了油相對泡沫穩(wěn)定性影響的方式和作用機理。</p><p>　　1.3.1 油相在泡沫中的存在形式</p><p>　　研究表明，油相在泡沫中的存在形

41、式主要有兩種。一種是以乳化油滴或者粗乳液的</p><p>　　形式存在于泡沫體系中，另一種是以溶解油的形式存在于表面活性劑膠束中。但后者所</p><p>　　占的比例非常小，只有泡沫中油相的 0.2%-0.5%，大部分以乳化油滴的形式存在。</p><p>　　乳化油滴在泡沫中的存在形式有以下四種（圖 1-4）：</p><p>　　（1

42、）乳化油滴在液膜、Plateau 邊界以及交匯點中，距離氣液界面較遠，以球形存</p><p>　　在（圖 1-4a），這種存在方式大多出現(xiàn)在泡沫排液前期。</p><p>　?。?）油滴距離氣液界面非常近，由于氣液界面的擠壓作用，油滴出現(xiàn)變形，油滴和</p><p>　　氣液界面之間形成假乳液膜（圖 1-4b），這種情況一般出現(xiàn)在泡沫排液后期。</p>

43、<p>　?。?）假乳液膜破裂后，油滴進入到氣液界面中去，形成油透鏡（圖 1-4c）。</p><p>　　（4）最終，油滴鋪展開來，形成一層油膜（圖 1-4d）。</p><p>　　圖 1-4 乳化油滴在泡沫中的存在方式示意圖</p><p>　　Fig.1-4 Way of existence of emulsified oil droplet

44、in a bubble diagram 1.3.2 油相破壞泡沫穩(wěn)定性的相關(guān)理論</p><p>　　目前，在油相與泡沫共存體系中，泡沫穩(wěn)定性的機理主要從油滴進入氣/液界面[24]、</p><p>　　油滴在氣/液界面鋪展[25]、泡沫膜中出現(xiàn)不穩(wěn)定的油橋[26]以及油滴和氣/液界面間的假乳</p><p>　　液膜[27, 28]的穩(wěn)定性這幾個方面研究。為了描述

45、油相和泡沫共存體系中泡沫的穩(wěn)定性，</p><p>　　σw?a 是泡沫液的表面張力，σo?a 是油相的表面張力，σw?o 是泡沫液和油相的界面張力。</p><p><b>　　6</b></p><p><b>　　第 1 章前言</b></p><p>　　Garrett[24]提出了橋連系

46、數(shù)“B”的概念，來作為衡量泡沫膜穩(wěn)定性的標準。根據(jù)他提出的概念，橋連系數(shù)“B”的公式為：</p><p>　　油滴能夠進入氣/液界面是泡沫膜破裂的前提條件[29]，如果油滴能夠進入氣/液界面</p><p>　　（E 為正值）并且在界面鋪展（S 為正值），這會使液膜變薄直至最終破裂[30]。如果油滴</p><p>　　沒有鋪展（S 為負值）反而在氣/液界面形成了一

47、個透鏡，當(dāng)排液到一定程度時，水層非</p><p>　　常薄，油滴才可能進入液膜兩側(cè)[26]。在這種情況下油滴會橫跨膜兩側(cè)形成一個不穩(wěn)定的</p><p>　　橋（B 為正值）。表 1-1 給出了通過 E，S 和 B 的符號預(yù)測的泡沫穩(wěn)定性情況。</p><p>　　然而，這些系數(shù)決定著油滴能否進入和鋪展，只是從熱力學(xué)條件上給出可行性，并</p>&l

48、t;p>　　不能表示進入和鋪展過程進行的速度。因此，許多實驗數(shù)據(jù)與上述經(jīng)典理論模型不相符。</p><p>　　造成這種矛盾的主要原因是經(jīng)典理論不能解釋介于泡沫膜表面和油滴之間水膜的穩(wěn)定</p><p>　　性。Nikolov 等人[27]首次在他們的研究中發(fā)現(xiàn)了這個“假乳液膜”（介于油滴和氣/液界面</p><p>　　間的非對稱膜）的存在。他們認為：這個不

49、對稱的假乳液膜的穩(wěn)定性決定了含有乳化油</p><p>　　滴的泡沫體系的穩(wěn)定性。所以，有些泡沫體系的進入系數(shù)（E）是正值，但油滴不能進入氣/液界面，原因是假乳液膜很穩(wěn)定，油滴進入氣/液界面的速度非常慢[31]。</p><p>　　本文運用分子動力學(xué)模擬的方法，通過研究油相與液膜間的相互作用來闡述油相與</p><p>　　泡沫共存體系中泡沫的穩(wěn)定機理。構(gòu)建一系列

50、不同假乳液膜厚度的泡沫模型，以此來模</p><p>　　擬液膜排液過程，當(dāng)假乳液膜的厚度薄到一定程度時，乳化油滴與氣/液界面發(fā)生相互作</p><p>　　用，假乳液膜破裂。通過提取數(shù)據(jù)來分析假乳液膜破裂的原因，找到不同的泡沫體系破</p><p>　　裂的臨界假乳液膜厚度，闡述油相對泡沫穩(wěn)定性影響的機理。</p><p><b>

51、;　　7</b></p><p>　　第 2 章理論計算方法和建模介紹</p><p>　　第 2 章理論計算方法和軟件介紹</p><p>　　分子模擬（Molecular Simulation）是利用計算機以原子水平的分子模型來模擬分子</p><p>　　結(jié)構(gòu)與行為，進而模擬分子體系的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的方法。它是在實驗

52、基礎(chǔ)上，通</p><p>　　過基本原理，構(gòu)筑起一套模型和算法，從而計算出合理的分子結(jié)構(gòu)與分子行為。分子模</p><p>　　擬不僅可以模擬分子的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，也可以模擬分子體系的動態(tài)行為。它可以輔助實驗工</p><p>　　作者在微觀角度研究問題，能夠?qū)⒗碚撃Ｐ秃蛯嶒灲Y(jié)果結(jié)合在一起[32]。近年來分子模擬</p><p>　　技術(shù)發(fā)展迅速

53、并在多個學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　2.1 理論計算方法</p><p>　　2.1.1 分子力學(xué)方法</p><p>　　分子力學(xué)方法（Molecular Mechanics，簡稱 MM），是一種借助經(jīng)驗和半經(jīng)驗參數(shù)計</p><p>　　算分子結(jié)構(gòu)和能量的方法，又稱力場方法（force field method）。經(jīng)典

54、力學(xué)是分子力學(xué)方</p><p>　　法的理論基礎(chǔ)[33]。該方法的基本思想是將分子看作是一組靠彈性力維系在一起的原子的</p><p>　　集合。這些原子若過于靠近，則會受到排斥力的影響；若遠離，則會造成連接它們的化</p><p>　　學(xué)鍵的拉伸或壓縮、鍵角的扭曲，引起分子內(nèi)部引力的增加。在模擬過程中，分子力學(xué)</p><p>　　方法采

55、用玻恩-奧本海默近似，忽略電子的運動，通過分子力場對分子和體系進行參數(shù)設(shè)</p><p>　　置和計算。一般力場的表達式：</p><p>　　E = Estretch + Ebend + Estrosion+ Evdw + Eelec +…</p><p>　　其中，Estretch表示鍵的伸縮能，Ebend表示鍵的彎曲能；Estrosion 表示鍵的扭曲勢；E

56、vdw</p><p>　　和Eelec分別表示非鍵作用中的范德瓦爾斯和靜電相互作用。</p><p>　　2.1.2 分子動力學(xué)模擬</p><p>　　分子動力學(xué)模擬（Molecular Dynamics Simulation，簡稱 MD），是近年來發(fā)展起來的</p><p>　　求解復(fù)雜體系的一種計算機模擬方法[34]。該模擬方法以經(jīng)典

57、的力學(xué)方法和牛頓運動定律</p><p>　　為理論基礎(chǔ)，求解牛頓方程是分子動力學(xué)模擬的核心內(nèi)容。在模擬過程中，通過粒子的</p><p>　　位置和速度的變化，求得物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。近年來，由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，運</p><p>　　算速率不斷加快，分子動力學(xué)模擬在材料研究等領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>

58、;　　8</b></p><p>　　第 2 章理論計算方法和建模介紹</p><p>　　一般情況下，在 MD 模擬中采取適當(dāng)?shù)南稻C對模擬過程進行限制。常見的系綜為：</p><p>　?。?）正則系綜（NVE）、（2）微正則系綜（NVT）、（3）等溫等壓系綜（NPT）、（4）等</p><p>　　溫等焓系綜（NPH）。在實

59、際模擬過程中（1）（2）兩種是最常用的系綜，并通過系綜對</p><p>　　溫度和壓力等外界條件進行有效限制。</p><p><b>　　2.2 軟件介紹</b></p><p>　　Materials Studio 軟件是美國 Accelrys 公司專門為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開發(fā)的一款可</p><p>　　運行在

60、PC 上的模擬軟件。它可以為研究者提供恰當(dāng)?shù)哪M和計算環(huán)境。利用該軟件可</p><p>　　以解決當(dāng)今化學(xué)、材料工業(yè)中的一系列重要問題。而且軟件中包含多個模塊，有的模塊</p><p>　　能夠采用多尺度的模擬來探索宏觀問題。受到材料科學(xué)領(lǐng)域研究者的一致肯定，具有廣</p><p><b>　　泛的市場。</b></p><

61、;p>　　本論文研究主要使用了 MS 軟件中的 Visualizer 和 Mesocite 模塊。Visualizer 模塊是</p><p>　　軟件的核心部分，包含了軟件的基本環(huán)境和所需的分析工具。利用該模塊可以進行模型</p><p>　　的搭建、分析以及可視化工作。利用 Mesocite 模塊可以構(gòu)建泡沫膜體系，再進行體系的</p><p>　　優(yōu)化以

62、及分子動力學(xué)研究工作，最后進行參數(shù)的提取以及數(shù)據(jù)分析。</p><p><b>　　9</b></p><p>　　3 章 油相對 SDS 型泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　3 章 油相對 SDS 泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　十二烷基硫酸鈉（Sodium Dodecyl S

63、ulfate，SDS）是目前應(yīng)用廣泛且研究較多的離</p><p>　　子型表面活性劑之一。SDS 性質(zhì)優(yōu)良、價格低廉，因此研究 SDS 泡沫與油相共存體系</p><p>　　的穩(wěn)定性在三次采油等領(lǐng)域有重要的實際意義。然而目前的大多數(shù)研究集中在濃度、溫</p><p>　　度、鹽度等外界條件對 SDS 泡沫的性能的影響，而對于油相對 SDS 泡沫穩(wěn)定性影響的<

64、;/p><p>　　研究主要集中在實驗方面，不能夠從微觀角度解釋其作用機理。分子模擬方法在研究分</p><p>　　子間相互作用方面具有獨特的優(yōu)勢，從而將其應(yīng)用到油相與泡沫相互作用的研究中，已</p><p>　　取得了一定的成果[35]。因此，本章將采用分子動力學(xué)方法（MD）研究油相與 SDS 泡沫</p><p>　　液膜的相互作用，通過分

65、析密度分布、徑向分布函數(shù)等參量，考察油相的存在對 SDS 泡</p><p>　　沫穩(wěn)定性的影響以及二者之間的相互作用。</p><p>　　3.1 模型和模擬方法</p><p>　　3.1.1 粗粒度珠子劃分</p><p>　　本文主要運用 Mesocite 模塊進行粗粒度模擬研究。在建模之前，首先要確定力場，</p>&

66、lt;p>　　并將分子劃分成粗?；闹樽印DS 型泡沫體系所用的力場為 Martini 力場，并對力場</p><p>　　參數(shù)進行適當(dāng)?shù)男薷?，使之符合該體系的模擬[36]。Martini 力場采用四個重原子用一個珠</p><p>　　子來表示的劃分方法，即除氫原子外的四個性質(zhì)接近的原子劃分為一個珠子。因此，四</p><p>　　個水分子劃分為一個珠子，

67、相對分子質(zhì)量為 72，并用 P4 類型力場表示；一個鈉離子連</p><p>　　同其水化的水分子劃分為一個珠子，相對分子質(zhì)量為 50，用帶有一個正電荷的 Qa 型力</p><p>　　場表示；十二烷基硫酸鈉以及代表油相的十二烷分子的劃分方法如圖 3-1 和 3-2 所示，</p><p>　　硫酸根頭基用帶有一個負電荷的 Qd 型力場表示，其它珠子均用 C1 型

68、力場表示。體系中</p><p>　　分子之間的鍵合作用參數(shù)采用 Martini 立場標準鍵參數(shù)，即鍵長的伸縮勢能 K0 = 2.9876</p><p>　　kcal/mol/Å2，R0 = 0.47 nm,鍵角的彎曲勢能 K0 = 5.9751 kcal/mol，T0 = 180°。非鍵作用包</p><p>　　括靜電相互作用和范德瓦爾斯相

69、互作用，其中靜電相互作用運用庫倫公式表達，范德瓦</p><p>　　爾斯相互作用運用 Lennard-jones 勢函數(shù)表達，相互作用參數(shù)如表 3-1 所示。</p><p><b>　　10</b></p><p>　　第 3 章油相對 SDS 型泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　圖 3-1 十二

70、烷基硫酸鈉分子與粗粒構(gòu)型間的轉(zhuǎn)變 Fig.3-1 The transform between sodium dodecyl sulfate molecule and coarse-grained configuration</p><p>　　圖 3-2 十二烷分子與粗粒構(gòu)型間的轉(zhuǎn)變</p><p>　　Fig.3-2 The transform between n-dodecane mo

71、lecule and coarse-grained configuration</p><p>　　3-1 范德瓦爾斯相互作用參數(shù)</p><p>　　Tab.3-1 Van der Waals interaction parameters</p><p>　　3.1.2 模型構(gòu)建</p><p>　　本文研究所用的模型是一個泡沫液膜中含有乳

72、化油相的結(jié)構(gòu)。首先建立兩個 Z 軸上</p><p>　　方向相反的表面活性劑盒子，橫向截面的尺寸為 10×10 nm2，高度為一個 SDS 分子的</p><p>　　長度。根據(jù)實驗測得每個 SDS 分子的占有面積為 0.53 Å2，所以，一個表面活性劑盒子</p><p>　　中有 189 個 SDS 分子[37]。乳化油相的構(gòu)建，是將油盒子

73、放入適當(dāng)濃度的表面活性劑水</p><p>　　溶液盒子中進行 50 ps 的 NPT 計算，動力學(xué)之后油相自發(fā)乳化以此來模擬假乳液膜中的</p><p>　　乳化油滴。在乳化油層兩側(cè)加上水層，水中含有數(shù)目與表面活性劑相同的鈉離子，使體</p><p>　　系中保持電中性。體系上下兩端加上表面活性劑盒子，模擬泡沫中氣/液界面上的表面活</p><

74、p><b>　　11</b></p><p>　　第 3 章油相對 SDS 型泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　性劑。在 Z 軸方向的上下兩側(cè)各加上 5 nm 的真空層，來消除周期性邊界條件導(dǎo)致的影</p><p>　　響，構(gòu)建的初始模型如圖 3-3 所示。Wasan 等人在實驗中觀察到了這種油相位于液膜中</p

75、><p>　　間的結(jié)構(gòu)[10]，但他們只得出了油相可以加速泡沫聚并的結(jié)論，沒有解釋原因，目前尚不</p><p>　　清楚油相是怎么運動導(dǎo)致液膜破裂的。因此本章建立一系列水層厚度呈梯度變化的模型模擬液膜排液的過程，起始水層厚度為 2 nm，以 0.1 nm 為梯度，水層厚度依次減小至 0.6 nm。通過分子動力學(xué)方法模擬油相如何影響泡沫的穩(wěn)定性。</p><p>　　圖

76、 3-3 SDS 型泡沫初始結(jié)構(gòu)模型</p><p>　　Fig.3-3 The initial structure model of SDS foam</p><p>　　3.1.3 模擬方法</p><p>　　本章研究的 SDS 型泡沫體系采用 Martini 力場，首先將體系用 Steepest Descent 方法</p><p>

77、　　進行 50000 步的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再用 Smart Minimizer 方法將結(jié)構(gòu)優(yōu)化至最優(yōu)狀態(tài)。優(yōu)</p><p>　　化結(jié)束后利用 NVT 系綜對分子動力學(xué)模擬計算進行限制，溫度控制在 298 K，控溫方法</p><p>　　Nose。由于是粗粒度模擬，長程靜電相互作用和范德瓦爾斯相互作用均采用 Bead based 方法進行計算，截斷半徑為 1.25 nm，時間步長選擇 10

78、 fs，軌跡信息 5000 fs 記錄一次，模擬總耗時 200 ns，全部模擬計算選擇 Materials Studio 5.0 軟件包完成。</p><p><b>　　12</b></p><p>　　第 3 章油相對 SDS 型泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p><b>　　3.2 結(jié)果與討論</b>&

79、lt;/p><p>　　3.2.1 液膜排液過程中的結(jié)構(gòu)變化</p><p>　　3-4 是泡沫排液過程中，液膜的結(jié)構(gòu)變化圖。本章建立了一系列的模型，使油相與氣/液界面間的水膜（假乳液膜）厚度從 2 nm 到 0.6 nm 呈梯度變化，以此來模擬隨著泡沫排液假乳液膜不斷變薄的過程。圖中油分子采用 Ball and stick 方式顯示，其它分子采用 Line 方式顯示，以此來突出顯示油相在泡沫

80、排液過程中的變化。從圖中可知，當(dāng)水膜厚度大于 1.2 nm 時，液膜結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變化，乳化油層在水膜中穩(wěn)定存在，表面活性劑有序排列在氣/液界面和油/水界面處。此時油相不對泡沫液膜產(chǎn)生作用，油相存在與否不會影響泡沫穩(wěn)定性。當(dāng)水膜的厚度小至 1.2 nm 時，油相不再穩(wěn)定存在于液膜中間，部分油分子會穿透水膜跑到氣/液界面上。由于表面活性劑的尾鏈有親油性質(zhì)，氣/</p><p>　　液界面的表面活性劑的尾鏈與穿透水膜

81、的油分子結(jié)合，使其穩(wěn)定存在于氣/液界面上。</p><p>　　圖 3-4 排液過程中液膜的結(jié)構(gòu)變化</p><p>　　水膜厚度：（a）1.4 nm（b）1.3 nm（c）1.2 nm（d）1.0 nm（e）0.8 nm（f）0.6 nm</p><p>　　Fig.3-4 The structure change of liquid film in the pr

82、ocess of drainage</p><p>　　Liquid film thickness:（a）1.4 nm（b）1.3 nm（c）1.2 nm（d）1.0 nm（e）0.8 nm（f）0.6 nm</p><p>　　通過觀察動力學(xué)過程中泡沫液膜的構(gòu)型變化可知，水膜的厚度不同時，油相穿透水</p><p>　　膜的時間也不一樣。當(dāng)水膜厚度為 1.2 nm

83、 時，水膜在約 70 ns 時發(fā)生破裂，而當(dāng)水膜厚</p><p><b>　　13</b></p><p>　　第 3 章油相對 SDS 型泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　度減小到 0.6 nm 時，約在動力學(xué)開始后的第 2 ns 就開始發(fā)生破裂。通過圖 3-4 可以看</p><p>　　出，隨

84、著假乳液膜的厚度不斷變薄，相同時間內(nèi)（或平衡后）油分子穿透水膜到達氣/液</p><p>　　界面的數(shù)量也不斷增多。圖 3-5 是水膜厚度不同的泡沫體系中，油相在體系中的密度分</p><p>　　布曲線。由圖可知，當(dāng)水膜未破裂時（1.4 和 1.3 nm），油相集中分布在體系的中間位置，</p><p>　　且密度較大。當(dāng)油相穿透水膜后，隨著水膜厚度不斷變薄，油相

85、分布范圍越來越廣，且</p><p>　　中間位置的油相密度變小。由此可以知道，假乳液膜越薄，油相越容易穿透水膜進入氣</p><p><b>　　/液界面。</b></p><p>　　圖 3-5 不同水膜厚度的體系中油相的密度分布曲線</p><p>　　Fig.3-5 The density distributio

86、n curves of oil in different liquid film thickness system</p><p>　　SDS 泡沫體系中，雖然油相可以穿透水膜進入氣/液界面，但是無論水膜多薄，只有一部分油分子穿過去，大部分油相仍然存在于液膜中間。如圖 3-5 所示，雖然液膜中間的油相密度低于十二烷的體相密度，但仍然遠高于兩側(cè)的油相密度，這就說明大部分油相沒有進入氣/液界面。圖 3-6 是平衡狀態(tài)

87、時液膜的氣/液界面的微觀結(jié)構(gòu)圖，圖中隱藏了鈉離子和其它位置的 SDS 分子，突出顯示破裂處的形貌。從圖中可以看出，破裂處的周圍有一圈 SDS 分子平躺在油分子和水之間，頭基伸向水相，尾鏈伸向油相，將水相與油相隔開。而其他位置的 SDS 豎直分布在氣/液界面，頭基伸向水相，尾鏈伸向真空中。當(dāng)油相穿透水膜后，乳化油相的 SDS 會隨著油相一同進入氣/液界面，這些 SDS</p><p>　　會分布在破裂處的周圍，阻止

88、破裂處進一步擴大，因而油相不能持續(xù)進入氣/液界面。所</p><p><b>　　14</b></p><p>　　第 3 章油相對 SDS 型泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　以體系達到平衡狀態(tài)后，大部分油相仍然在液膜中，只有少部分油相在液膜表面。</p><p>　　圖 3-6 液膜微觀結(jié)構(gòu)圖&

89、lt;/p><p>　　圖中咖啡色為 SDS 頭基，灰色為尾鏈，綠色為油分子，藍色為水</p><p>　　Fig.3-6 Microstructure of liquid film</p><p>　　SDS headgroup is brown, tail is gray, oil molecule is green, water is blue</p>

90、<p>　　3.2.2 油相進入氣/液界面的機理</p><p>　　3-7 是液膜表面的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，SDS 豎立在液膜表面，頭基伸向水中，尾鏈伸向真空層。但是 SDS 并不是均勻分布在液膜表面的，而是尾鏈相互聚集，形成一個個的團簇，這使得液膜表面部分區(qū)域被大量表面活性劑覆蓋，而部分區(qū)域沒有被表面活性劑覆蓋。SDS 頭基有親水性，在水溶液中解離后，親水頭基由于帶電與液膜中具有極性的的水分

91、子有很強的相互作用，導(dǎo)致液膜表面被 SDS 覆蓋的區(qū)域的水分子增多，不被 SDS 覆蓋的區(qū)域水分子減少。因此 SDS 在液膜表面的聚集行為會導(dǎo)致液膜中的水分布不均勻。</p><p><b>　　15</b></p><p>　　第 3 章油相對 SDS 型泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　圖 3-7 SDS 在氣/液界面的

92、聚集現(xiàn)象圖中灰色為 SDS 聚集在一起，藍色是水，紫色是鈉離子，綠色為油相 Fig.3-7 SDS gather on the vapor-liquid interface SDS is gray, water is blue, sodium is purple, oil phase is green</p><p>　　為了得到 SDS 頭基周圍水分子的分布情況，提取平衡狀態(tài)時體系的徑向分布函數(shù)。</p&

93、gt;<p>　　徑向分布函數(shù)（RDF）的物理意義是：與目標粒子相距 r 處粒子出現(xiàn)的幾率。粒子間的</p><p>　　結(jié)構(gòu)信息和物質(zhì)的有序性都可以利用 RDF 來考察。圖 3-8 給出了不同水膜厚度的體系</p><p>　　SDS 頭基周圍水分子的徑向分布函數(shù)，據(jù)此可以得知 SDS 頭基周圍水分子分布情況。從圖 3-8 中可以看出，所有的體系中，均在約 0.5 nm 處

94、存在第一個明顯的峰，這表明</p><p>　　SDS 頭基與水分子間存在強的相互作用，使水分子在頭基附近聚集成水層。將第一個峰</p><p>　　的峰谷以內(nèi)的水稱之為第一水化層。另外在約 0.8 nm 處還存在較明顯的第二峰。無論第</p><p>　　一個峰還是第二個峰的高度，都隨著水膜厚度減小而增大。但水膜厚度為 0.6 nm 的體系</p>

95、<p>　　提取到的頭基與水的徑向分布曲線的峰值卻小于水膜厚度 0.8 nm 的體系得到的。出現(xiàn)</p><p>　　這種情況可能是因為當(dāng)水膜厚度過薄時，水分子數(shù)目太少，第一水化層中的水還未達到飽和狀態(tài)。從圖 3-8 中曲線的變化可知，水膜越薄，SDS 頭基周圍結(jié)合水的數(shù)目越多。因此，液膜在排液過程中 SDS 頭基與水的結(jié)合作用加強，這將使水膜中的水分子向 SDS 聚集的區(qū)域移動，導(dǎo)致水膜出現(xiàn)破裂。孫淮

96、等人的研究[38]也表明，SDS 泡沫的液膜破裂首先發(fā)生在沒有被表面活性劑覆蓋的區(qū)域。由于油相與 SDS 尾鏈都有疏水作用，所以當(dāng)水膜出現(xiàn)破裂時，油相有通過破裂處自發(fā)進入氣/液界面的趨勢。</p><p><b>　　16</b></p><p>　　第 3 章油相對 SDS 型泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　圖 3-8

97、SDS 頭基周圍水分子的徑向分布曲線</p><p>　　Fig.3-8 The radial distribution curve of water around the SDS headgroup</p><p>　　從液膜排液過程中的結(jié)構(gòu)變化得知，當(dāng)油相穿過假乳液膜與氣/液界面相接后，破裂</p><p>　　處周圍有聚集著一圈表面活性劑，而油相不能繼續(xù)進入氣

98、/液界面。為了研究出現(xiàn)這種現(xiàn)</p><p>　　象的原因，提取 SDS 頭基的徑向分布曲線如圖 3-9 所示。圖中紅色曲線代表假乳液膜破</p><p>　　裂處周圍 SDS 頭基的徑向分布，黑色曲線代表其它部位 SDS 頭基的徑向分布。從圖中</p><p>　　可以看出，假乳液膜破裂處周圍 SDS 頭基的徑向分布曲線的峰值遠高于其它部位的，也</p>

99、;<p>　　就是說，破裂處周圍的 SDS 頭基分布更密集。由于帶電的 SDS 頭基之間有排斥作用，</p><p>　　因此分布越密集，SDS 頭基之間的相互作用越強。為了進一步研究破裂處周圍 SDS 頭</p><p>　　基之間的相互作用，又提取了不同部位 SDS 頭基的均方位移曲線，如圖 3-10 所示。圖</p><p>　　中同樣是紅色代表

100、假乳液膜破裂處周圍 SDS 頭基的均方位移曲線，曲線的斜率表示 SDS</p><p>　　頭基的移動速率。從圖中可以得知，破裂處周圍 SDS 頭基的移動速率明顯低于其它部位</p><p>　　的 SDS 頭基，這說明破裂處周圍的 SDS 頭基移動更困難。</p><p><b>　　17</b></p><p>　　

101、第 3 章油相對 SDS 型泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　圖 3-9 SDS 頭基的徑向分布曲線</p><p>　　Fig.3-9 The radial distribution curve of SDS headgroup</p><p>　　圖 3-10 SDS 頭基的均方位移曲線</p><p>　　Fig.3

102、-10 The mean square displacement curve of SDS headgroup</p><p>　　3.2.3 油相對 SDS 泡沫穩(wěn)定性影響的機理</p><p>　　從上文可以得知，含有乳化油滴的泡沫液膜在排液過程中，隨著油相與氣/液界面間</p><p>　　的假乳液膜的厚度不斷減小，表面活性劑的頭基周圍結(jié)合水的數(shù)目會增多，這使

103、得假乳</p><p>　　液膜中的水分子分布不均勻，沒有被表面活性劑覆蓋的區(qū)域的水膜發(fā)生破裂。水膜破裂</p><p>　　后，油相會穿過破裂處進入氣/液界面，但是假乳液膜破裂處周圍 SDS 頭基分布更密集、</p><p>　　相互作用更強且移動更困難。因此當(dāng)油相周圍出現(xiàn)這樣一圈 SDS 后，油相進入氣/液界</p><p>　　面的驅(qū)動

104、力被大大削弱，很難再繼續(xù)向液膜表面移動，因而停留在液膜中，最后達到平</p><p><b>　　衡狀態(tài)。</b></p><p><b>　　18</b></p><p>　　3 章 油相對 SDS 型泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　3-11 是達到平衡狀態(tài)時液膜的結(jié)構(gòu)圖，圖

105、中綠色為油相，藍色為水，表面活性劑被隱藏。從圖中可以看出，達到平衡狀態(tài)時，油相穿透液膜的兩側(cè)與真空層相接，在液膜中形成一個“油橋”結(jié)構(gòu)。雖然油相不會繼續(xù)進入氣/液界面并進行鋪展，但是會在液</p><p>　　膜中形成油橋，該油橋的穩(wěn)定性將直接決定著泡沫液膜的穩(wěn)定性，進而決定 SDS 泡沫的</p><p>　　穩(wěn)定性。然而，Benattar 等人[39]曾用 X 射線衍射方法測得不含有乳

106、化油滴的 SDS 泡沫</p><p>　　液膜的臨界厚度為 3.3 nm，此時液膜中間的水層僅有 0.4 nm。由此可見，普通 SDS 泡</p><p>　　沫液膜在排液至水膜僅有 0.4 nm 時仍然可以穩(wěn)定存在，而含有乳化油滴的 SDS 泡沫液</p><p>　　膜在油相兩側(cè)的假乳液膜厚度為 1.2 nm 時就已經(jīng)能形成油橋。因此，即使液膜中的乳化<

107、/p><p>　　油滴不會加速液膜的排液過程，也會使液膜在還未達到破裂的臨界厚度時就形成了油橋，</p><p>　　而油橋的不穩(wěn)定性會加速泡沫的破滅。</p><p>　　3-11 油橋的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Fig.3-11 Oil structure</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)&l

108、t;/b></p><p>　　本章通過分子動力學(xué)方法研究了油相對 SDS 泡沫穩(wěn)定性的影響。通過建立一系列</p><p>　　的泡沫液膜體系來模擬含有乳化油滴的泡沫液膜的排液過程。研究結(jié)果表明，當(dāng)油相與</p><p>　　氣/液界面間的水膜厚度減小至 1.2 nm 時，油相開始穿透水膜進入氣/液界面。通過分析</p><p>　　

109、不同水膜厚度下 SDS 頭基與水的徑向分布函數(shù)可知，隨著水膜厚度減小，SDS 頭基與</p><p>　　水的結(jié)合能力加強。而且 SDS 在液膜表面容易發(fā)生聚集，這導(dǎo)致水膜上沒有被 SDS 覆</p><p>　　蓋的區(qū)域發(fā)生破裂。由于油相和 SDS 尾鏈的疏水性質(zhì)，油相會自發(fā)進入真空層，同時</p><p>　　SDS 頭基的親水性質(zhì)以及頭基之間很強的相互作用又限

110、制油相繼續(xù)進入真空層，最終達</p><p><b>　　19</b></p><p>　　第 3 章油相對 SDS 型泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　到平衡狀態(tài)。當(dāng)油相進入液膜兩側(cè)后，會在液膜中形成一個“油橋”，油橋容易受到外力</p><p>　　干擾而破裂，進而導(dǎo)致泡沫的破裂。綜上所述，油相之

111、所以能夠影響泡沫的穩(wěn)定性，是</p><p>　　因為乳化油滴的存在使液膜在還未達到臨界厚度時就形成了油橋，油橋的不穩(wěn)定導(dǎo)致泡</p><p><b>　　沫破裂。</b></p><p><b>　　20</b></p><p>　　4 章 油相對 C12E5 泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬&l

112、t;/p><p>　　4 章 油相對 C12E5 泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　本文第 3 章以十二烷基硫酸鈉為代表研究了油相對離子型表面活性劑泡沫穩(wěn)定性</p><p>　　的影響以及油相與泡沫相互作用的機理。為了更深入的了解油相對泡沫穩(wěn)定性的影響，</p><p>　　本章選取了十二烷基聚氧乙烯醚作為起泡劑，研究了油相

113、對非離子型表面活性劑泡沫的</p><p><b>　　影響及作用機理。</b></p><p>　　4.1 模型和模擬方法</p><p>　　4.1.1 粗粒度珠子劃分</p><p>　　本章選用的表面活性劑為十二烷基聚氧乙烯醚，與離子型表面活性劑體系一樣，首</p><p>　　先要對分子

114、進行粗粒度珠子的劃分。與十二烷基硫酸鈉體系不同，本章的模型采用 MS</p><p>　　軟件中的 Shinoda 2007 力場，該力場采用三個重原子用一個珠子來表示的劃分方法。三</p><p>　　個相鄰的水分子劃分為一個珠子，用力場中的 W 表示，表面活性劑和十二烷的珠子劃</p><p>　　分方法如圖 4-1 和 4-2 所示。</p>&

115、lt;p>　　圖 4-1 十二烷基聚氧乙烯醚分子與粗粒構(gòu)型間的轉(zhuǎn)變 Fig.4-1 The transform between alkyl-polyoxyethylene molecule and coarse-grained configuration</p><p>　　圖 4-2 十二烷分子與粗粒構(gòu)型間的轉(zhuǎn)變</p><p>　　Fig.4-2 The transform be

116、tween n-dodecane molecule and coarse-grained configuration</p><p><b>　　21</b></p><p>　　第 4 章油相對 C12E5 泡沫穩(wěn)定性影響的分子動力學(xué)模擬</p><p>　　4.1.2 模型構(gòu)建和模擬方法</p><p>　　本章研

117、究內(nèi)容的模型構(gòu)建方法與第 3 章所述基本相同，同樣是橫截面積為 10×10</p><p>　　nm2，由乳化油相、水和表面活性劑盒子疊加起來，兩端加上真空層的體系。只是根據(jù)</p><p>　　實驗測得[37]的每個十二烷基聚氧乙烯醚的占有面積為 0.5 nm2，所以每個表面活性劑盒</p><p>　　子中分子數(shù)目為 200。由于是非離子型表面活性劑，