利用分子仿真模型沥青的性能分析外文翻译资料

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Energy amp; Fuels 2007, 21, 1712-1716

利用分子仿真模型沥青的性能分析

Liqun Zhang and Michael L. Greenfield*

化学工程系，金斯顿，罗得岛大学，罗德岛02881部

2006年12月29日收到，修改稿2007年2月10日收到

摘要

分子模拟已被用来估计三组分混合物的性能，其性能成分被为代表在道路沥青中发现的化学家族。环烷基芳烃和饱和烃是由1,7-二甲基萘和n-C₂₂，分别表示。两种不同的沥青模型结构进行了审议。第一种沥青模型结构有一个短短的侧链的较大的芳香核心; 第二个包含较大的分支的中等大小的芳香核心。这两种结构模型在最近的文献中被提出，基于沥青质馏分的实验性特征。从混合物中的原子分子模拟计算的性质包括密度和等温压缩（体积模量的倒数）。热力学性质表明在25℃以上两种模型混合物的高频玻璃化转变。基于所述多个芳香沥青质的混合物显示出更明显的过渡，并且具有较高的体积模量。用于聚合物改性的沥青模型，计算与在体积模量的增加是一致的。

序言

沥青是主要来自原油蒸馏¹并且是由许多有机物组成（有人估计百万）的混合物²。化学方法将沥青分离成多个部分，如沥青质，树脂和maltene（沥青中溶于低分子饱和烃的成分）（软沥青）。溶解性差异和色谱（科贝特法）将沥青再细分成沥青质，极性芳烃，环烷芳族的，和饱和烃这些成分。沥青质是最粘的和最极性的分量;软沥青是最粘的和最非极性的分量;和树脂在其它两个成分³之间。

我们作一个可以提供关于如何修改的沥青组合物成分指导的假设，这个假设分析沥青成分的微观结构和了解分子间的相互作用，这可能最终使沥青的更好地服务公路路面_。分子模拟是预测因指定的微观分子间的相互作用和结构而产生的宏观性质的一种方法。

因为沥青质是高度多分散的分子，沥青^3，4组合物不能很好地定义。因为沥青质是高度多分散的分子，沥青组合物不能很好地定义。

将沥青分离成单个组分是困难的。要做到在复杂混合物分子模拟，如沥青，建筑模型沥青混合料的需要模拟提供输入。此前的研究根据实验分析给全沥青和沥青质树脂成分建议了一些平均模型结构。

关于为全沥青平均模型结构的一些想法在文献中被找到。詹宁斯等人⁵在沥青组合物，分子量分布，以及结构分析的实验结果的基础上建立了八大核心沥青的平均分子结构，这是八大结构战略公路研究计划标准化的研究样本（SHRP）。泡利等人⁶将这些核心沥青的物理性质与相关性的预测进行比较并且建议用脂环族单分子代表沥青。他们发现，平均分子结构可能在联系真实沥青的物理性能方面是有用的。

沥青质和树脂的几个平均分子结构已经被提出来了。默多克等人⁷建立了平均沥青和树脂的分子结构用来分析分子识别 和沥青质聚集的机制。Artok等人⁸根据实验数据为沥青建立了几个模型结构。后来，Groenzin和穆林斯⁹基于荧光测量建立了更多的沥青质模型结构。Rogel和Carbognani¹⁰基于从不同来源委内瑞拉原油构造了一些沥青质平均结构并且利用分子动力学估计它们的密度。Takahashi等人¹¹使用了三种分子的混合物，以代表海夫吉沥青质的平均模型结构；混合物的结构参数非常接近那些实际沥青质的格雷和他的同事^12,13推荐新群岛沥青质模型，可以比以前的城郊浓缩车型更好适合观察到的实验数据。Siskin等人¹⁴为基于不同来源的沥青质推荐了6种平均化学结构模型并且分析了它们在延迟焦化的焦炭的形态中的化学影响。

在下文中，一种为计算机仿真建立沥青混合料模型的方式被阐释并且这些模型沥青的几个物理性质被分析。这项工作的目标是：（1）为在计算机上模拟沥青设计简单混合物，通过使用表示不同的沥青成分的化合物，（2）比较模型沥青性质，使用分子模拟，以预测那些实际沥青的性质。模型沥青混合料的分子间的描述，如微观结构和相对方位，在另文讨论¹⁵

模拟方法

沥青组合模型。利用分子模拟分析沥青的物理性能就必须设计合理的沥青混合料组合物的模型，用不同的化合物代表每个组分（沥青质，树脂，和maltene）。被选择的几种化合物，而不仅仅是一个单一的“平均”的分子正如詹宁斯等人⁵的努力把真实沥青中发现的化学和极性的多样性（即，溶解度参数）^16,17合并起来。

每个部分使用一个分子类型表示。该分子的选择是由风暴和其同事¹⁸辅助测量的。他们在通过常用烷烃沉淀法馏分的沥青中采用核磁共振（NMR）通过碳原子峰的位置，他们确定在沥青质，树脂和芳香烷烃碳，和饱和馏分之间的平衡。这里，正二十二烷（正 - C22H46）被选择作为典型的饱和烷。暴风雨等人¹⁸报道72.2％的被细分为不同的类型（分支，尾部等）的烷烃的碳原子数（每总碳）。这些数据18可以被解释¹⁹为意味着C₁₆与C₃₆的平均链长度。一条链的长度为22是紧靠该范围的中心的。Kowalski的等人讲n-C₂₂是正烷烃，而且他们认为其在沥青里面占最高浓度。它的熔点Tm= 44°C和沸点TB =369°C²¹与作为这样一个饱和整体沥青¹⁹的蜡质组分的熔点沸点相一致。

1,7-二甲基萘被选择作为一个具有代表性的芳香环烷烃。它的16.7：83.3烷烃/芳烃比与一个树脂¹⁸报道的整体58:42的平衡不同，但它确实像前面描述的一些沥青²²分子一样。芳环和侧链的数量使其在饱和烃和沥青质之间起到媒介作用。相对于所报道的沥青和树脂分子质量分布⁹中的重复结构来说，它的尺寸相对较小.

从文献中的例子中选择了两个已经提出的沥青质的结构并且在图1和2中示出。第一种结构包含有一个具有小分支的中等大小的芳香核心。它是从由Artok等人⁸研究的NMR中得到的。他们提出简单分子的集合。这个集合代表分子沥青质的所有的统计信息。第二种结构是从 Groenzin和穆林斯⁹的荧光偏振的研究的讨论中得到；包含一个更加稍小芳香核心和更长的烷烃侧分支。包含一个更加稍小芳香核心和更长的烷烃侧链分支。它也是来自提出的沥青质集合中的一个分子。对于该种呈现在沥青质中的纽带图案，选择这些模型是因为它们代表了那些被提出的不同的类型。Rogel和Carbognani为他们的模拟¹⁰选择具有更大围稠芳香环（8-20稠环）的沥青质。

通过使用这些沥青质，饱和烃，和环芳香分子创建了两型沥青混合料。整体混合物的结构是通过用Storm等人¹⁸的测量控制的。被选择的21％的沥青质质量分数与他们报道拉塔维减压渣油的22％（重量）相类似。

据暴风等人¹⁸报道，正C22和二甲基萘的浓度的被选择为原油的组分是烷烃/芳烃碳比率（72.2：27.88：3）为基础的，因而要在油和树脂的范畴内看待二甲基萘。这导致形成了具有59％（重量）正C22和20％（重量）1,7-二甲基萘的混合物²³。报道称这种混合物（71.0/ 7.5/21.5）连同对于树脂和油中烷烃以及芳碳的形成，如果每小节沥青需要有更多的分子，一种选择将会是利用所有油/树脂/沥青的总体的平衡。所得组合物和相应的分子特征被列于表1和2中。

图1.沥青质分子结构。⁸

图2.沥青质的分子结构。⁹

模拟方法和条件。在模拟系统中，每个分子都有明确的原子表示。

这样在计算上比代表许多原子作为一个单一体（联合原子模型）²⁴更贵，但可以引导我们更准确地估计分子间的填密。该OPLS-AA（全原子优化的液体模拟参数）力场²⁵提供每个原子所需的参数。应用了两种常见的分子模拟的方法：蒙特卡洛（MC）和分子动力学（MD），使用公开可用的模拟程序Towhee^26,27和LAMMPS^28,29。以分析沥青1和沥青2-基于三元混合物性能如何随温度而变化，这两个系统的分子模拟是在1个大气压的压力和五种不同的温度下进行：238.15，268.15，298.15，358.15和443.15 K（-35，-5，25，85，和170℃）。这些温度的范围从寒冷的冬季条件跨越到在摊铺作业期间达到的超额“热拌”温度 。

对于纯化合物的初

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