[發明專利]一種根據分子動力學模擬預測長鏈烷基酯減阻劑減阻性能的方法

在審

• 申請號: 201710945359.X
• 申請日: 2017-10-12
• 公開（公告）號: CN107506611A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 周成裕;熊偉;張鵬;賈振幅
• 申請（專利權）人: 重慶科技學院
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 重慶蘊博君晟知識產權代理事務所(普通合伙)50223
• 代理人: 田東陽

技術領域

本發明涉及長鏈烷基酯減阻劑的減阻性能的定量構效關系研究方法，具體涉及一種根據分子動力學模擬預測長鏈烷基酯減阻劑減阻性能的方法。

背景技術

在流體中加入一定的高分子聚合物能使流動阻力降低，這種現象稱為高聚物減阻。而加入的降低流體阻力的化學劑就叫做減阻劑(Drag Reduction Agent)，在湍流時，由于剪切力較大，聚合物減阻劑的分子鏈很容易由于斷裂而導致分子量降低，從而使得減租效果下降。因而，在高剪切條件下需要一種能抗高剪切作用的減阻聚合物，疏水締合聚合物的特殊性質就可以滿足這種要求。它主要是依靠分子間的相互作用形成分子聚集體，甲基丙烯酸烷基酯類的疏水締合聚合物就是利用這種分子特殊相互協同作用而形成的，但是其側鏈長度對減阻性能起著十分關鍵的影響。

在長期的減阻學的研究過程中，人們一直在探索合成高效、新型減阻劑的理論和指南，期望找到化合物結構和減阻性能間的關系，但目前的結論幾乎都是大致定性的描述性的預測。因此，我們有必要在減阻學的研究方面引入計算化學的方法，模擬計算聚合物在水中伸展的狀態及其能量變化曲線，通過曲線圖和模擬計算，得到不同側鏈烷基數的甲基丙烯酸長鏈烷基酯在水中伸展的相互作用能，從而在理論上推斷出側鏈烷基數為多少時聚合物減阻效果最好。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于模擬計算聚合物在水中伸展的狀態及其能量變化曲線，通過曲線圖和模擬計算，得到不同側鏈烷基數的甲基丙烯酸長鏈烷基酯在水中伸展的相互作用能，從而在理論上推斷出側鏈烷基數為多少時聚合物減阻效果最好。

為實現上述目的，本發明提供了如下的技術方案：

1、一種根據分子動力學模擬預測長鏈烷基酯減阻劑減阻性能的方法，包括如下步驟：

1)構建初始模型，在Material Studio軟件中，分別構建丙烯酰胺、N,N-二正丁基丙烯酰胺和甲基丙烯酸烷基酯的三維結構，在Build Polymers中的Random Copolymer下構建三種單體的共聚物；

2)利用Amorphous Cell對步驟1構建的共聚物分子優化成合理構象，并且建立優化后的聚合物構象圖層，標記為Layer2；

3)水相體系模型的建立，在3D模塊中建立水分子體系模型，通過Construct建立水相體系的構象圖層，標記為Layer1；

4)模擬分子動力學分析，選擇Build/Layers，在Layer1中選擇優化后的水相圖層，在Layer2中選擇優化好的聚合物圖層，建立一個包括有聚合物模型和水相模型的混合圖層，建立好混合圖層后應用Discover選擇Dynamics，在Compass力場下進行分子動力學模擬計算，模擬計算具有不同側鏈烷基數的聚合物在水中伸展的狀態及其能量變化曲線，根據伸展狀態及能量變化曲線找出在水中伸展效果最好的側鏈烷基聚合物，進而得到減阻效果最好的減阻劑。

優選的，步驟1)共聚物的構建操作步驟如下：在Repeat Unit中依次引入丙烯酰胺、N,N-二正丁基丙烯酰胺和甲基丙烯酸烷基酯，選擇Propagate using中的Probabilities，并且在Probabilities下設置所需單體比例依次為0.900、0.050和0.050，然后選擇Force concentrations，設置Chain length為20，Number of chain為1，Torsion設置為Random，形成共聚物結構圖。

優選的，步驟4)進行分子動力學模擬計算時，動力學參數設置為：模擬溫度303K，模擬中步數為：300000，步長：300.0ps。

優選的，所述側鏈烷基聚合物側鏈基數為12、14、16或18。

優選的，進一步通過計算不同側鏈烷基的聚合物與水的相互作用勢能結合模擬分子動力學分析結果驗證確定減阻效果最佳的減阻劑。

本發明的技術效果在于：利用本發明方法優化出的長鏈烷基酯減阻劑構型具有更加精確、合理和穩定的特點，從而進一步確保長鏈烷基酯減阻劑性質模擬的結果具有準確性和可靠性。本發明采用Material Studio軟件對聚合物理論模型和模擬分子動力學進行研究，為后期聚合物合成的實驗研究奠定一定的理論基礎。

附圖說明

圖1為丙烯酰胺a)、N,N-二正丁基丙烯酰胺b)和甲基丙烯酸十二酯c)單體模型；

圖2為聚合物理論模型；

圖3為優化后的聚合物構象圖層；

圖4為水相構象圖層；

圖5為聚合物和水相的混合圖層；