论文题名: | 基于分子模拟的木屑生物油与沥青混溶机理研究 |
关键词: | 道路工程;生物沥青;木屑生物油;混溶机理;分子模拟 |
摘要: | 生物沥青作为一种环保型沥青材料,近年来在道路工程领域广泛受到关注,该技术是将液态生物油作为改性剂或添加剂与沥青进行混溶,从而改性或替代沥青。目前,生物油与沥青之间的相互作用机理尚不明晰,限制了生物沥青技术的进一步发展。本文选取木屑作为研究对象,开展了生物油制备工艺、生物油平均分子模型以及生物油与沥青间相互作用机理的研究,对于完善生物油模型构建方法、阐释木屑生物油与沥青的混溶微观机理具有重要意义,能够为生物沥青在道路工程中的应用提供一定的理论基础。 选取杨木木屑作为生物质原料,将木屑与反应溶剂按照一定比例投入反应釜中,在不同的试验条件下提取生物油与木屑残渣的混合物,通过减压旋转蒸馏对混合物进行处理,获取木屑生物油。以产油率为响应值,设计单因素和正交试验,研究工艺参数(反应溶剂类型、料液比、反应时间、反应温度、添加剂用量)对产油率的影响,获取生物油的最佳制备工艺。结果表明:当木屑与溶剂质量比为1:10、反应时间为100 min、反应温度为290℃、NaOH用量24%时可得最佳油产率为49.62%。 采用13C-NMR与XPS等微观手段对木屑生物油进行表征,根据表征数据计算生物油的结构参数,借助ChemOffice软件绘制出木屑生物的平均分子结构模型;进一步利用 Gaussian软件对模型进行构型与能量优化,并计算生物油分子模型的FITR和 NMR谱图,通过与实验谱图进行对比,对模型进行优选,并验证模型的合理性。结果表明:木屑生物油整体的交联结构主要由苯、萘、醚键、亚甲基以及羧基构成,平均分子结构模型的分子式为C50H74O19,经构型优化,模型总能量显著下降,分子构型达到稳定状态,计算谱图与实验谱图能够较好吻合。 采用 Material Studio 分子模拟软件构建出基质沥青模型、生物油模型以及生物沥青模型,并对模型进行弛豫优化及合理性验证,寻找全局能量最低构象;对弛豫结构进行分子动力学模拟,以溶解度参数、相互作用能、自由体积分数、径向分布函数以及回转半径为指标,分析了木屑生物油与沥青间的相互作用机理。研究发现:生物油与沥青的溶解度参数较为接近,所以二者具有较好的相容性;生物油仅对沥青进行了物理改性,且会与沥青中的轻质组分产生物理吸附,但这种吸附并不会影响沥青分子的极性,也不会改变沥青的胶体结构;在生物沥青中,生物油分子附近自由体积分布较少,这种微观结构有助于提升生物沥青的稳定性;沥青与生物油同属无定形物质,生物油不会与沥青各组分产生明显聚集效应;生物沥青模型与基质沥青模型相比,各组分的回转半径相近,表明加入生物油后,amp;nbsp;沥青黏度并未发生明显改变。 |
作者: | 李小宇 |
专业: | 材料与化工 |
导师: | 曹雪娟 |
授予学位: | 硕士 |
授予学位单位: | 重庆交通大学 |
学位年度: | 2023 |