分散剂对润滑油氧化产物聚集影响的分子动力学模拟

采用分子动力学（MD）模拟方法研究了润滑油氧化产生的极性小分子的聚集行为以及分散剂聚异丁烯琥珀酰亚胺对其聚集的影响。研究发现：随着模拟时间的增长,润滑油氧化产物分子通过氢键形成了分子聚集体;在不含分散剂的润滑油中,形成聚集体的分子个数不断增加,润滑油氧化产物分子在晶胞中的分布不断集中;在含有分散剂的润滑油中,润滑油氧化产物分子之间仍可以形成2~3个分子组成的小聚集体,但是没有出现由多个分子形成的大聚集体,润滑油氧化产物分子仍然相对均匀地分散在晶胞中;分散剂通过对润滑油氧化产物分子形成空间阻隔以及与润滑油氧化产物分子之间形成更加稳定的氢键两方面的作用,阻碍其形成大聚集体。     

沥青质分子聚集体的聚集内因

运用量子力学、分子动力学等方法,研究沥青质分子聚集体形成过程的分子构型变化、能量变化以及电子分布情况。结果表明：沥青质分子形成聚集体过程中形变能很小,沥青质分子发生形变不是沥青质聚集体形成的决定因素,但为沥青质分子聚集进而形成聚集体提供基础,沥青质分子具有很强的本征聚集活性;沥青质分子间相互作用能很大,是沥青质分子聚集体形成的决定因素,其中,属于分子间固有属性的范德华力及泡利排斥作用之和相对较小,与沥青质分子结构特征相关的π π相互作用及氢键作用之和很大,表明由沥青质分子的大芳环体系和多杂原子的结构特征引起的π π相互作用及氢键作用是导致形成沥青质分子聚集体的主要原因;在所研究体系中,金属卟啉分子与含吡啶氮的沥青质分子通过π π相互作用而非轴向配位作用形成聚集体。     

油溶性降粘剂作用机理的密度泛函计算

采用密度泛函的方法计算了2-甲基丁基磺酸负离子、2-甲基丁酰胺和5-氨基萘酚3个模型化合物及其与H2O形成氢键的分子构型，5-氨基萘酚之间的氢键作用能及其插入2-甲基丁基磺酸负离子后分子间的氢键作用能；探索了稠油降粘作用机理。计算结果表明，这3个模型化合物与3个H。0结合形成氢键，其氢键作用能分别为-221．8535、-109．4827和-92．6796kJ／mol。同时还计算了二聚5-氨基萘酚的氢键作用能为-34．3939kJ／mol，在其氢键上插入2-甲基丁基磺酸负离子后，二聚5-氨基萘酚分子间的氢键被打破，其作用能为-131．0117kJ／mol。可以预测，在降粘剂分子中引入强亲水基团的磺酸盐可破坏胶质、沥青质分子间的氢键和解散胶质、沥青质聚集体，达到稠油降粘之目的。     

沥青质分子聚集体中氢键作用力的研究

为研究沥青质分子聚集体中的氢键作用,用量子力学与分子动力学相结合的方法对形成沥青质分子聚集体中的氢键进行了研究。结果发现,沥青质分子中含有的N、S、O等杂原子是沥青质分子形成氢键的必要条件;沥青质分子聚集体形成单个氢键的键能较小,但聚集体中含有多个氢键时,其分子间的作用力会大幅增加。沥青质分子形成氢键的本质是由于H原子与杂原子的价层轨道电子进行叠加形成的,沥青质分子间有极少量的电子转移,导致形成弱的次级键; 在氢键作用中,起主要作用的是轨道相互作用能和色散作用能。     

石油沥青质超分子聚集及解聚研究进展

石油沥青质组成复杂,氢/碳原子比低,硫、氮等杂原子含量高,给石油开采、运输和加工处理带来困难,究其原因是石油沥青质分子结构复杂,极易发生超分子聚集,形成聚集体。目前对沥青质超分子聚集的认识越来越广泛,并被石油化学工作者广泛接受。沥青质超分子聚集是通过电荷转移作用、偶极作用以及氢键作用形成沥青质分子之间的缔合,这些弱相互作用在石油体系的分子间普遍存在,实现沥青质聚集体的解聚是重质油高效轻质化的基础。研究表明,采用化学方法改变沥青质分子结构或采用物理方法改变沥青质物理状态,均能在一定程度上使得沥青质聚集体解聚。     

沥青质分子聚集体的解离对策

针对沥青质分子大芳环体系和多杂原子结构特征引起的π-π相互作用及氢键作用,运用量子力学、分子动力学等方法,研究沥青质分子聚集体的解离对策。对于π-π相互作用,从降低沥青质分子间π电子云重叠和减少沥青质分子的π电子数目两个方向研究解离措施;对于氢键作用,从降低沥青质分子间S—H、N—H、O—H间轨道叠加电子转移效应和减少沥青质分子的S、N、O数目两个方向研究解离措施。结果表明：引入π电子云分散剂可有效降低沥青质分子间π电子云重叠程度,对沥青质分子的稠合芳环进行局部加氢饱和可以减少其π电子数目,两条途径的分子模拟结果均能实现沥青质分子聚集体的解离;削弱沥青质分子间π-π相互作用对减弱氢键作用具有明显的促进作用;针对π-π相互作用的解离思路和措施也适应于金属卟啉分子与沥青质分子形成的聚集体,镍卟啉分子与沥青质分子形成的聚集体的解离难度比钒卟啉的大;提高温度加剧分子热运动及脱除杂原子可削弱或消除氢键作用,但在沥青质分子的其他芳环体系未改变的前提下,消除氢键作用不能实现对沥青质分子聚集体的完全解离。     

聚全氟甲乙醚苯酰胺抗氧抗腐作用机理研究

采用量子化学方法计算了全氟甲乙醚苯酰胺（化合物I）与聚全氟甲乙醚氧自由基（RiO.)的结合能以及与Fe原子的化学吸附作用能,探讨了该化合物作为抗氧抗腐添加剂的作用机理,结果表明,RiO.自动结合于苯环的C7原子上,生成C－O键和稳定的加成产物,其结合能为－417．33kJ/mol;化合物I能与Fe原子形成较稳定的络合物,其化学吸附作用能为－105．02kJ/mol,合成了聚全氟甲乙醚苯酰胺抗氧抗腐添加剂（PFPA）,并进行了UV和IR光谱分析,PFPA分子中苯环的UV和C＝0的IR特征吸收峰分别为240．7nm和1713．9cm^-1。抗氧抗腐性能测试结果表明,加入PFPA添加剂,能使氟醚润滑油的失重较空白样减少近7倍,使Al2O3仙化下的热分解温度提高19度,研究表明,聚全氟甲乙醚苯酰胺的最低轨道（LOMO）与氧自由基的单占分子轨道 （SOMO）相互作用,形成亲核加成产物,阻止氧自由基RfO．的链锁反应和酸性产物的生成,添加剂的最高占有分子轨道（HOMO）的与Fe原子的LOMO相互作用形成稳定的化学吸附态和油膜,阻止金属催化分解并保护金属。     

塔河沥青质超分子体系的初步探索

以塔河沥青质作为研究对象,对沥青质的超分子体系进行了初步探索。采用动态光散射方法证明了沥青质可以在甲苯溶液中形成超分子结构,基于对沥青质分子结构的认识,利用分子模拟技术研究了形成沥青质超分子结构的分子间作用力,重点考察了氢键、酸碱作用、π-π相互作用以及沥青质分子和金属卟啉化合物之间的配位作用。在这几种分子间作用力中,沥青质分子间的π-π相互作用的能量最大,并随沥青质分子聚集数的增多而增大,是使沥青质形成超分子的最主要推动力。此外,采用甲基化改性方法去掉沥青质分子上的活泼氢,破坏沥青质分子间的氢键及酸碱作用,然后比较其聚集体与沥青质聚集体的差异;结果表明,前者的尺寸要明显小于后者的尺寸,说明通过活泼H而形成的分子间氢键以及酸碱作用与沥青质超分子的尺寸关系最为密切。     

氢键作用对沥青质超分子聚集的影响

对沥青质进行羧基化、磺化和甲基化反应,从加强与钝化氢键作用两个方面对比研究了不同化学处理对沥青质结构、热稳定性以及沥青质聚集的影响。研究发现：羧基、磺酸基等基团引入沥青质分子后,提高了沥青质分子的极性,增强了分子间的氢键作用,显著促进了沥青质的聚集,并且引入的基团极性越强,促进聚集效果越明显;相反,沥青质中含活泼氢官能团被甲基化后,甲基的引入屏蔽了形成氢键作用的基团,降低了沥青质聚集体形成过程中的氢键数量,从而削弱了沥青质的聚集。实验结果直观地证明了氢键作用对沥青质聚集体形成的影响,揭示了甲基化、羧基化及磺化反应影响沥青质聚集的机理。     

沥青质分子聚集体中π-π相互作用的研究

采用量子力学与分子动力学相结合的方法对形成沥青质分子聚集体的分子间π-π相互作用进行了研究。结果表明：沥青质分子间的π-π相互作用能随着分子芳香环数的增加而增大;分子中含有的杂原子显著增加了沥青质分子间的π-π相互作用能;沥青质分子的支链长度及类型能够影响π-π相互作用能的大小;当沥青质分子聚集体中含有多个π-π相互作用时,其分子间的聚集作用力会大大增加;沥青质分子间形成π-π相互作用的过程中,分子间有少量的电子转移;色散作用是π-π相互作用中的主要作用。     

分子动力学模拟研究大分子润滑油氧化产物的运动和聚集行为及其对基础油性能的影响

The mobility and aggregation behavior of macromolecular lubricant oxidation products and their influences on the performance of base stock were probed by molecular dynamics (MD) simulation. The mean squrare displacement (MSD) of molecules was calculated to explore the mobility of molecules. The distribution appearance of lubricant oxidation products in models was acquired to explore the aggregation of molecules. The results show that the mobility of macromolecular oxidation products is lower than that of base stock, and the MSD of macromolecular oxidation products reduces with the increasing macromolecular weight. Macromolecular oxidation products can also decrease the mobility of basic oil. The interaction energy between macromolecules and base stock ascends with the increase of macromolecular weight. Macromolecules with larger molecular weight can affect more basic oil molecules with stronger restriction, which leads to lower mobilities of base stock molecules. There are aggregates formed among macromolecular oxidation products, and the molecules in aggregates are connected by hydrogen bonds. The quantity of hydrogen bonds in aggregates is related to temperature.     

润滑油基础油氧化链引发反应机理的分子模拟

Chain initiation reactions in the oxidation process of lubricant base stock molecules were studied by molecular simulations. Two ways to initiate lubricant oxidation were investigated. They were the dissociation of chemical bonds in base stock molecules and the reaction between base stock molecules and oxygen (O2), respectively. Reaction activation energies of above methods were calculated. The results show that C—C bonds are more likely to break than C—H bonds to generate free radicals by the pyrolysis of chemical bonds. The C—C bonds with tertiary carbon atoms are preferential positions to crack. However, bond dissociation energies of them are above 360 kJ/mol, which are difficult to occur under lubricant working conditions. The chain initiation is more likely to occur by the way that O2 attacks the two atoms in C—H bonds at the same time, and embeds into the C—H bond to produce hydrocarbon peroxides. And then, the O—O bond is cracked to form hydroxyl radicals and alkoxy radicals. The C—H bonds with tertiary carbon atoms are the preferential reaction sites, whose reaction activation energy is about 190.11 kJ/mol.     

原油乳状液稳定机理的分子模拟研究

沥青质在稳定原油乳状液方面发挥重要的作用,采用分子动力学研究了沥青质分子在甲苯 水界面的吸附聚集行为,用量子化学方法研究了沥青质和水分子间以及沥青质分子之间的相互作用能,探讨了沥青质稳定乳状液的作用机理。结果表明,沥青质分子和水分子间氢键的形成是沥青质能够在油 水界面吸附的主要原因,沥青质分子之间的氢键和π π作用使得沥青质构成超分子结构,此超分子结构将水分子包围在内,阻止了水滴的聚并。此外,模拟研究了一种化学破乳剂的破乳过程,结果发现,破乳剂可以通过沥青质分子的间隙,为后续的破乳过程提供了可能。     

分子动力学模拟阴离子/两性离子表面活性剂在油-水界面的分子行为及协同效应

采用分子动力学模拟方法研究了表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)/十二烷基磺丙基甜菜碱(SB12-3)混合体系在油-水界面的聚集行为以及SDS与SB12-3的协同作用。通过密度分布、界面厚度、界面形成能来分析油-水界面性质,当n(SDS)/n(SB12-3)=1/1时,协同效应达到最大,即混合体系的界面形成能(E_IF)达到-640.959 kJ/mol。通过亲水基团的径向分布函数和氢键数目研究了SDS和SB12-3的亲水效应,发现SB12-3的亲水基团与水分子优先形成氢键,且形成氢键数目(12.555)大于SDS与水之间的氢键数目(8.968),SB12-3的亲水性更好;通过表面活性剂头基与尾链之间的夹角和疏水尾链序参数研究了2种表面活性剂的疏水性能,发现SDS烃链在油相中夹角(114.368°)大于SB12-3在油相中角度(111.903°),证明SDS拉伸程度好,表现出良好的疏水性能,2种表面活性剂的协同作用良好。     

A Quantum Chemistry Study on Structural Properties of Petroleum Resin

The geometries of resins with single-layer (SG), double-layer (DG) and triple-layer (TG) were calculated with the quantum chemistry method. The geometries and net charges of atoms were obtained. The calculated average distances between layers were 0.5348 nm and 0.5051 nm and the action energies were -9.6355 kJ/mol and -32.2803 kJ/mol for resins DG and TG, respectively. Higher electronegative polar atoms can easily form hydrogen bonds with hydrogen atoms of other resin molecules, resulting in resin aggregates. The minimum cross-sectional diameters of resin molecules are too large to enter the pores of zeolite, so they are likely to crack on the surface of zeolite.     

润滑剂基础油在钻具表面吸附模拟

采用分子模拟方法考察了3种润滑剂基础油在铁钻具表面的吸附行为。蒙特卡洛模拟结果表明:甘油三C18脂肪酸酯具有空间变形能力,在铁表面吸附能为-48.7352 kJ·mol-1,吸附能为正构C18和C18脂肪酸甲酯两倍左右。动力学模拟结果表明:正构C18和C18脂肪酸甲酯在铁表面形成单分子层结构,油膜厚度约为0.35 nm;甘油三C18脂肪酸酯在铁表面吸附油膜厚度为1.5 nm左右。甘油三C18脂肪酸酯在铁钻具表面吸附能强,形成油膜厚,润滑能力优于正构C18和C18脂肪酸甲酯。      

寡聚度对低聚阳离子季铵盐表面活性剂的聚集行为、油-水界面性能及润湿性的影响

合成了联接基团含有酰胺键及羟基的Gemini阳离子季铵盐表面活性剂Malic 2C12及三聚阳离子季铵盐表面活性剂Citric 3C12，并通过表面张力、电导及动态光散射技术（DLS），研究了Malic 2C12及Citric 3C12的聚集行为。结果表明，随着寡聚度由1（十二烷基三甲基溴化铵，DTAB）增大到2（Malic 2C12）再到3（Citric 3C12），表面活性剂的表面活性提高，临界聚集浓度（CAC）有了数量级的降低，聚集能力大大提高。当浓度高于CAC时，疏水尾链之间的疏水相互作用以及联接基团之间的氢键相互作用促使Malic 2C12聚集形成球形胶束。而3个季铵盐头基间的静电排斥及联接基团的刚性使Citric 3C12以爪状构象存在，聚集形成大聚集体。同时，随寡聚度增大，DTAB、Malic 2C12和Citric 3C12降低油 水界面张力及润湿石蜡表面所需的浓度有数量级的降低。而且，由于爪状构象的Citric 3C12分子之间在大聚集体中相互作用很强，解聚集成单体的过程慢，使得其对石蜡表面的润湿具有时间响应性。