聚合物在硅酸二钙表面吸附的分子动力学模拟

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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。
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