聚合物在硅酸二钙表面吸附的分子动力学模拟

论文摘要

在碱石灰烧结法生产氧化铝过程中,熟料溶出时硅酸二钙发生分解,使已经溶出的氧化铝又进入赤泥,造成氧化铝的损失,即发生二次反应。若在溶出时添加聚丙烯酸钠（PAA）和聚乙二醇（PEG）,它们吸附于硅酸二钙表而上,阻止了硅酸二钙的分解,抑制二次反应的发生,从而提高氧化铝的溶出率。在溶出过程中,聚合物的浓度较低,在硅酸二钙表面吸附仅发生在很小的区域里,对吸附过程的实验、计算和分析都存在着一定的困难,而分子动力学模拟可以克服这些困难,从原子或者分子尺度来模拟吸附过程,进而对照宏观实验结论,起到沟通宏观特性和微观结构的作用。因此,计算机模拟方法是揭示现象和规律之间关系的强有力的手段,被认为是理论分析和宏观实验之外的第三种科学研究方法。本论文根据聚合物与晶体表面吸附理论,采用分子动力学模拟方法,建立聚合物PAA和PEG与硅酸二钙晶体的全原子模型,模拟了聚合物分子在硅酸二钙表面的吸附过程,获得固／气界面吸附能、聚合物在硅酸二钙表面径向分布函数等信息,并考察了高分子聚合物结构组成、硅酸二钙晶体不同晶面、系统温度、聚合物链节数等对吸附能的影响,同时对溶液的微观组成进行了研究,进一步对其吸附过程宏观动力学和热力学规律给予微观解释,主要研究结果如下：不同环境下聚合物与硅酸二钙不同晶面的单位面积吸附能不同。在真空环境下,聚合物与不同晶面间的吸附能有差异,PEG和PAA与p-C2S不同晶面的相互作用均以与（110）面的吸附能最大,即吸附作用最强,各晶面吸附强弱顺序依次为：（110）>（010）>（011）>（001）≈（101）>（100）,而且PAA与晶面的作用能大于PEG与晶面的作用能；在溶液环境下,PAA与硅酸二钙（011）面吸附能最大,PEG与硅酸二钙（010）面吸附能最大。总的来看,由于溶液环境下小分子的存在对聚合物与晶面的吸附有影响,因此真空环境下吸附能比溶液环境下吸附能大。在343.15K-363.15K温度范围内,环境温度对聚合物与晶面的吸附几乎不产生影响。在低聚合度下,聚合物链数越长,可吸附性链节越多,吸附能越大,吸附强度越大,该模拟结果与宏观实验结果一致。在相同条件下,聚合物PAA和PEG在硅酸二钙表面的吸附强度不同,含有羧基的PAA吸附效果比含有氧原子的PEG要好。对模拟环境进行了径向分布函数分析结果表明,水分子在硅酸二钙晶体表面是多分子层吸附,聚合物与水分子之间的作用力以氢键作用为主,Na+离子对水分子中的O原子分子作用力大于与H原子的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 烧结法生产氧化铝
• 1.1.1 二次反应
• 1.1.2 抑制二次反应的措施
• 1.2 分子模拟技术
• 1.2.1 分子动力学及其应用
• 1.2.2 Materials Studio软件简介
• 1.3 本论文研究目的和意义
• 1.4 本论文研究内容
• 第二章 聚合物吸附的相关理论和模拟方法
• 2.1 聚合物在硅酸二钙表面上的吸附
• 2.1.1 硅酸二钙的性质及其结构特点
• 2.1.2 聚合物PEG和PAA的性质和结构特点
• 2.1.3 PEG和PAA吸附原理
• 2.2 部分分子模拟软件简介
• 2.3 聚合物吸附分子动力学模拟基本技术
• 2.3.1 仿真模型
• 2.3.2 力场的选择
• 2.3.3 模型边界条件的设定
• 2.3.4 初始条件的设定
• 2.3.5 系统的控制方法
• 2.3.6 运动方程求解
• 2.3.7 分子间力计算
• 2.3.8 体系平衡的判定
• 2.3.9 特征量的提取
• 2.3.10 聚合物PEG、PAA吸附模拟模型的设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 PEG/PAA在真空环境下吸附研究
• 3.1 吸附过程模拟的模型建立与模拟
• 3.1.1 吸附过程的分子动力学模拟模型
• 3.1.2 聚合物在真空环境下的吸附模拟方法
• 3.2 PEG/PAA在β-C2S表面的吸附分析
• 3.2.1 模拟结果的平衡分析
• 2S不同表面模型模拟吸附能分析'>3.2.2 PEG/PAA与β-C₂S不同表面模型模拟吸附能分析
• 3.2.3 不同温度下PEG/PAA与（110）表面模型模拟相互作用分析
• 3.2.4 不同链长PEG/PAA聚合物与（110）表面模型模拟相互作用分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 PEG/PAA在纯水环境下吸附研究
• 4.1 聚合物PEG/PAA在纯水环境下的吸附模拟
• 4.1.1 聚合物PEG/PAA在纯水环境中的模型构造
• 4.1.2 纯水溶剂下溶液的微观分析
• 2S吸附分析'>4.2 纯水环境下聚合物与β-C₂S吸附分析
• 2S不同表面作用的吸附能分析'>4.2.1 PEG/PAA与β-C₂S不同表面作用的吸附能分析
• 4.2.3 不同温度下PAA/（011）和PEG/（010）模型模拟相互作用分析
• 4.2.4 不同链长时PAA/（011）与PEG/（010）模型模拟相互作用分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 模拟铝酸钠溶液环境下聚合物吸附研究
• 5.1 聚合物PEG/PAA在铝酸钠环境下吸附模型构建
• 5.1.1 铝酸钠溶液环境中的模型构造
• 5.1.2 铝酸钠溶液的微观结构分析
• 2S吸附分析'>5.2 铝酸钠溶液环境下聚合物与β-C₂S吸附分析
• 2S不同表面模型模拟相互作用吸附能分析'>5.2.1 PEG与β-C₂S不同表面模型模拟相互作用吸附能分析
• 5.2.2 不同温度下PAA/（011）和PEG/（010）模型模拟相互作用分析
• 5.2.3 不同链长PAA/（011）和PEG/（010）模型模拟相互作用分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢