[發(fā)明專利]基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的瀝青與SBS相容性評(píng)價(jià)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910756241.1
• 申請(qǐng)日: 2019-08-14
• 公開（公告）號(hào): CN110489858A
• 公開（公告）日: 2019-11-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許濤;李池璇;范素穎;馬翔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;C08L95/00;C08L53/02
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本發(fā)明是一種基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的瀝青與SBS相容性評(píng)價(jià)方法，屬于改性瀝青相容性技術(shù)領(lǐng)域，主要解決目前沒有具體而精確的方法來評(píng)價(jià)SBS與瀝青相容性的問題。本發(fā)明分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法為基礎(chǔ)，通過利用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件，分別構(gòu)建單個(gè)瀝青系統(tǒng)晶胞模型、SBS嵌段共聚物分子結(jié)構(gòu)模型和SBS改性瀝青共混體系模型，并分別對(duì)其進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，計(jì)算后得到溶度參數(shù)和相互作用能，以此為指標(biāo)來表征和評(píng)價(jià)SBS與瀝青的相容性。本發(fā)明的相容性評(píng)價(jià)方法為研究SBS與瀝青的相容機(jī)理研究提供了思路，對(duì)改性瀝青相容性評(píng)價(jià)體系以及其評(píng)價(jià)體系的建立提供了指導(dǎo)，對(duì)SBS改性劑的配方提供了理論依據(jù)，對(duì)解決瀝青離析問題、提高改性瀝青的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的瀝青與SBS相容性評(píng)價(jià)方法，屬于改性瀝青相容性技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近三十年來，我國公路交通一直處于高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。高等級(jí)公路建設(shè)里程的不斷增加，各級(jí)公路瀝青路面的建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，其中有90％以上的高速公路鋪設(shè)了瀝青路面。現(xiàn)代公路交通量大，單軸軸載重，超載重載車輛增多，交通趨于渠化，故普通的基質(zhì)瀝青難以滿足高等級(jí)公路的使用要求。為了提高路面的服務(wù)水平和使用壽命，近年來新建的高速公路大多采用了聚合物改性瀝青作為結(jié)合料。在聚合物改性劑中，熱塑性彈性體是改性瀝青首選的改性劑，其中苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)應(yīng)用最廣泛，占改性瀝青總量的60％以上，它具有提高瀝青路面高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損害、抗剝落、耐久性的綜合性能。

但是，由于SBS和基質(zhì)瀝青在分子量、物理密度以及化學(xué)結(jié)構(gòu)等多方面存在差異，屬于熱力學(xué)不相容體系；同時(shí)SBS又能自動(dòng)降低表面層性能，導(dǎo)致兩者形成不穩(wěn)定的混合體系，容易發(fā)生分層甚至是分離的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為改性瀝青的相容性，即能獲得比較均勻和穩(wěn)定的相態(tài)結(jié)構(gòu)的共混體系。在此過程中，兩者之間并沒有發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，只是SBS在瀝青中的分散和吸附過程，兩者僅僅是物理意義上的共存共容。在目前的實(shí)際應(yīng)用中，改性瀝青的相容性和熱存儲(chǔ)穩(wěn)定性差的現(xiàn)狀已經(jīng)成為我國道路建所存在的問題，只有當(dāng)改性劑與瀝青具有良好的相容性，才能保證改性瀝青具有優(yōu)異的性能。可見，研究SBS與瀝青的相容性具有十分重要的意義。

隨著科技時(shí)代的快速發(fā)展，人們研究改性劑與瀝青相容性的方法已從宏觀轉(zhuǎn)向微觀層次。宏觀試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法存在精確性較差、人為因素影響較大等問題；對(duì)于微觀層次的評(píng)價(jià)方法，如顯微分析法、紅外光譜法等，只能靜態(tài)地研究瀝青，不能動(dòng)態(tài)描述其化學(xué)結(jié)構(gòu)變化。分子動(dòng)力學(xué)作為計(jì)算機(jī)高速發(fā)展的產(chǎn)物，架起了研究宏觀和微觀行為的橋梁，它作為一套分子模擬方法，充分考慮到了分子受勢(shì)能、溫度、壓力等外部因素條件的影響，使得模擬結(jié)果更符合實(shí)際狀態(tài)。在應(yīng)用于瀝青研究時(shí)，它既繼承了利用組分來分析優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了靜態(tài)研究的缺點(diǎn)。近年來，分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)逐漸被運(yùn)用于道路材料領(lǐng)域，這就為SBS與瀝青相容性機(jī)理的研究提供了新的思路和方法。

在分子動(dòng)力力學(xué)中，溶度參數(shù)和相互作用能是其中較為簡便的表征兩者相容性的參數(shù)。溶度參數(shù)對(duì)了解、判斷高分子體系的溶解性、相容性時(shí)具有十分重要的參考價(jià)值。當(dāng)兩種材料的溶解度參數(shù)差別越小時(shí)，越容易相混溶。根據(jù)聚合物共混物混合熱理論可知，內(nèi)聚能為消除1mol物質(zhì)全部分子間作用力所需的能量，是表征物質(zhì)分子間相互作用強(qiáng)弱的物理量，而內(nèi)聚能密度的平方根即為溶解度參數(shù)。相容性的本質(zhì)時(shí)各組分的分子間相互作用，分子間的非鍵接相互作用能、范德華相互作用能和靜電相互作用能可定量地表征分子間相互作用的強(qiáng)度。

綜上所述，目前人們用于評(píng)價(jià)SBS改性瀝青相容性的試驗(yàn)方法存在著無法精確反映出基質(zhì)瀝青與SBS在微觀尺度上的動(dòng)態(tài)分布，即無法真實(shí)反映出基質(zhì)瀝青和SBS在熱力學(xué)相容性的好壞，誤差較大，且成本較大的問題，同時(shí)也并沒有提出一種具體的用于評(píng)價(jià)SBS與瀝青相容性的評(píng)價(jià)方法。

因此，本發(fā)明以分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法為基礎(chǔ)，通過利用Materials Studio軟件，分別構(gòu)建SBS嵌段共聚物分子結(jié)構(gòu)模型、單個(gè)瀝青系統(tǒng)晶胞模型和SBS瀝青共混體系模型，模擬計(jì)算得出溶度參數(shù)和相互作用能，并以此作為評(píng)價(jià)相容性指標(biāo)來表征SBS改性劑與瀝青的相容性。