表面活性劑吸附改變親油巖石潤(rùn)濕性的微觀機(jī)理研究

付琛

[摘 要]不同類型的表面活性劑在表面的吸附形態(tài)是不同的，文中選取了能有效調(diào)控親油巖石潤(rùn)濕性的表面活性劑OP-10、AES作為研究對(duì)象，探討其改變巖石表面潤(rùn)濕性的微觀機(jī)理。

[關(guān)鍵詞]表面活性劑 潤(rùn)濕性 模型

中圖分類號(hào)：TE31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）23-0040-01

1 前言

采用MD模擬方法研究表面活性劑OP-10和AES在親油砂巖表面基體上形成的自組裝單層膜表面的潤(rùn)濕行為，分析表面活性劑吸附所導(dǎo)致的潤(rùn)濕性變化，通過計(jì)算相互作用能、徑向分布函數(shù)的微觀參量，揭示表面活性劑吸附后親油巖石的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)機(jī)理。

2 模型與計(jì)算方法

構(gòu)建表面大小為6.87nm×6.80nm的甲基化二氧化硅表面模擬親油砂巖，在該表面上搭建完整致密的OP-10和AES分子自組裝單層膜結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Build Nanostructure工具構(gòu)建一個(gè)包含479個(gè)水分子的納米水滴結(jié)構(gòu)，并將該水滴分別置于兩種單層膜表面上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化便得到模擬所需的初始構(gòu)型，如圖1所示。選擇COMPASS力場(chǎng)，溫度為298K，NVT系綜，范德華和庫侖相互作用分別采用AtomBased和GroupBased方法進(jìn)行計(jì)算，截?cái)喟霃綖?.25nm，模擬1000ps，步長(zhǎng)選擇1.0fs。

3 結(jié)果與分析

3.1 平衡吸附構(gòu)型

平衡吸附構(gòu)型如圖2所示?？梢悦黠@看出，納米水滴結(jié)構(gòu)坍塌，在兩種自組裝膜表面上均能夠吸附鋪展，表明OP-10和AES分子自組裝膜表面具有良好的潤(rùn)濕性；水滴在兩種自組裝膜表面上的接觸角分別31.5°和25.3°，這進(jìn)一步表明了OP-10和AES分子自組裝膜表面呈現(xiàn)出良好的親水性。因此，當(dāng)表面活性劑吸附后，在親油巖石表面產(chǎn)生新的表面，新表面呈現(xiàn)水濕性，親油巖石表面發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)。

與理想羥基化二氧化硅表面相比，水分子并沒有完全覆蓋在表面活性劑自組裝膜表面上形成一層水膜，而呈一定傾角潤(rùn)濕鋪展，部分區(qū)域并沒有被水分子占據(jù)，說明自組裝單層膜對(duì)水的潤(rùn)濕能力比理想羥基化二氧化硅表面要弱。

3.2 徑向分布函數(shù)

徑向分布函數(shù)（RDF）可以反映兩種不同粒子在彼此空間中的分布規(guī)律。我們首先測(cè)定了表面活性劑頭基中的O原子與水中O原子之間的徑向分布函數(shù)，如圖3所示。

兩曲線的第一峰值均出現(xiàn)在0.275nm處，距離在形成氫鍵的范圍之內(nèi)，表明水分子與表面活性劑間存在氫鍵相互作用；水分子在庫倫力和氫鍵的綜合作用下，在表面聚集形成第一水化層；第二個(gè)峰值出現(xiàn)在距離為0.515nm處，它距第一峰值的距離為0.24nm，在水分子間形成氫鍵的范圍之內(nèi)，說明上層水分子通過分子間氫鍵在第一水化層之外形成第二水化層；這種相互作用還可繼續(xù)向遠(yuǎn)處延伸，從圖中可以看出在0.76nm處還存在第三水化層，只是這一峰值已經(jīng)變的很弱。因此，水分子與表面活性劑間能夠形成氫鍵是其導(dǎo)致親油巖石表面潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的另一重要原因。AES分子中O原子與水中O原子徑向分布函數(shù)的第一峰值強(qiáng)度要大于OP-10的，說明AES自組裝膜表面周圍第一水化層中分子數(shù)目更多，氫鍵作用更強(qiáng)，即AES分子改變潤(rùn)濕性的效果更好。

3.3 水分子的擴(kuò)散性能

納米水滴向自組裝膜表面的遷移擴(kuò)散程度越大，說明水分子與表面間的相互作用越強(qiáng)，水滴更容易潤(rùn)濕固體表面。納米水滴的擴(kuò)散能力通過MSD曲線和擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行衡量。為形成對(duì)比，我們還測(cè)定了由十二烷（C12）構(gòu)成的自組裝膜表面上納米水滴的擴(kuò)散行為，如圖4所示。

由圖可知，吸附OP-10和AES自組裝膜的親油巖石表面水分子的擴(kuò)散能力要遠(yuǎn)大于吸附C12的，原因是水分子與表面活性劑中的O原子間存在強(qiáng)的庫侖作用及氫鍵作用，足以克服水滴內(nèi)分子間的氫鍵締合作用而破壞水滴團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，水分子強(qiáng)的吸附擴(kuò)散促使水滴最終吸附鋪展在表面上。AES自組裝膜表面上水分子的擴(kuò)散能力略強(qiáng)于OP-10的，表明水滴與AES自組裝膜的相互作用更強(qiáng)，這與上述徑向分布函數(shù)的分析結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

（1）水滴結(jié)構(gòu)在吸附OP-10和AES單層膜的親油巖石表面上均發(fā)生坍塌，兩種單層膜表面均表現(xiàn)出良好的親水性。表面活性劑分子通過疏水鏈與表面之間發(fā)生吸附，形成單層膜結(jié)構(gòu)，親水基遠(yuǎn)離巖石形成新的表面，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)。

（2）水分子中氧原子與單層膜表面之間形成氫鍵，使得靠近表面的水分子發(fā)生強(qiáng)烈吸附，足以克服水滴內(nèi)部氫鍵締合作用而破壞原有團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致上層水分子的繼續(xù)吸附。AES比OP-10具有更強(qiáng)的潤(rùn)濕性改變能力。

（3）水分子在OP-10和AES自組裝膜表面上均具有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力，且在AES自組裝膜表面上相對(duì)更大。

參考文獻(xiàn)

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