高温高盐环境对强化泡沫体系稳定性影响规律的分子模拟研究-毕业论文

本 科 毕 业 设 计（论文）题目：高温高盐环境对强化泡沫体系稳定性影响规律的分子模拟研究学生姓名： 学号： 专业班级：材料物理 指导教师： 20XX年 6 月 16 日中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）高温高盐环境对强化泡沫体系稳定性影响规律的分子模拟研究摘要本文采用分子动力学模拟的方法研究不同无机盐种类以及高温对 HPAM-SDS 复合泡沫体系稳定性的影响。对于不同的盐离子（Na+、Ca2+、Mg2+）体系，通过考察各个组分的密度曲线、表面活性剂尾链倾角、界面水层厚度、SDS 头基和聚合物周围结合水的数目以及扩散系数等参量，得出如下结果：一价阳离子（Na+）对聚合物强化泡沫体系稳定性的影响较二价盐离子(Ca2+、Mg2+)小；而对于两种二价盐离子，Ca2+体系中 SDS尾链与 z 轴方向的倾角比 Mg2+的小，说明 Ca2+对泡沫稳定性的破坏比 Mg2+小。对于温度对聚合物复合泡沫体系稳定性的影响，考察了复合泡沫中表面活性剂吸附构型随温度变化的规律，以及表面活性和聚合物与水的相互作用，其结果表明：随温度升高，Ca2+与 SDS 表面活性剂头基之间的相互作用增强，从而导致钙离子对复合泡沫体系的破坏增大，导致泡沫稳定性降低；且随着温度的升高，强化泡沫体系的界面水层厚度减小，SDS 头基和聚合物周围的结合水分子数目减少，并且 SDS 头基体系第一水化层的扩散系数增大，加剧了水分子的流失，强化泡沫体系稳定性下降。关键词：分子动力学模拟；聚合物强化泡沫；稳定性；盐离子；温度中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）Molecular Dynamics Simulation of the Influence ofSalt Ions and temperature on Polymer Enhanced FoamStabilityAbstractMolecular dynamic simulations have been used to investigate the influence of salt ions and temperature on HPAM-SDS complex foam system stability in this article.For different salt ions (Na+, Ca2+, Mg2+) system, by examining the individual components of the density curve, the surfactant tails dip, interfacial water layer thickness, the number of bound water around the SDS head group and polymers as well as the diffusion coefficient parameters, the following results: monovalent cations (Na+) Intensive foam system on the stability of the polymer compared with a divalent salt ions (Ca2+, Mg2+) small; and for both divalent salt ions, Ca2+ system SDS tails and the z-axis direction of the inclination than the smaller Mg2+, Ca2+ Description damage foam stability smaller than Mg2+. For the effect of temperature on the stability of the polymer composite foam system, examining the syntactic foam surfactant adsorption configuration with temperature changes in the law, as well as surfactants and polymer interaction with water, and the results showed that: with increasing temperature interaction between Ca2+ and SDS surfactant head groups between strong, leading to calcium ions on the composite foam system increases, resulting in reduced foam stability; and as the temperature increases, strengthen the interface layer of foam water system thickness is reduced, reducing the number of bound water molecules around the polymer and a head group SDS, and SDS diffusion coefficient of the first head group hydration layer system is increased, increasing the loss of water molecules, enhanced foam system stability.Keyword: Molecular Dynamics ； polymer enhanced foam ；stability ；Salt ions ； temperature中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）目录目录 .错误!未定义书签。第 1 章前言.11.1聚合物复合泡沫驱简介 .11.2聚合物强化泡沫的基本概念 .11.2.1泡沫的基本性质 .11.2.2聚合物复合泡沫驱以及其性能 .21.3盐离子对泡沫稳定性的影响 .21.4温度对泡沫稳定性的影响 .3第 2 章理论计算方法和模拟软件简介 .52.1分子力学方法（MM） .52.2分子动力学模拟(MD) .52.2Materials Studio 软件简介 .5第 3 章不同盐离子对 PAM-SDS 复合泡沫体系稳定性的影响 .73.1引言 .73.2模型与方法 .73.3结果与讨论 .93.3.1不同种类盐离子对表面活性剂吸附构型的影响 .93.3.2SDS 头基、聚合物与水分子的相互作用.123.3.3SDS 头基、聚合物与不同种类盐离子之间的相互作用.173.4本章小结 .19第 4 章温度 HPAM-SDS 复合泡沫体系稳定性的影响 .214.1引言 .214.2模型和方法 .214.3结果和结论 .214.3.1温度对表面活性剂吸附构型的影响 .214.3.3表面活性剂和聚合物与水分子的相互作用 .23中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）4.4 本章小结26第 5 章结论28致谢29参考文献30第 1 章前言第 1 章前言1.1 聚合物复合泡沫驱简介随着石油开采行业步入中后期，仍有大部分原油仍在地层中，因而提高采油率成为了该领域的关键问题，三次采油技术应运而生。而泡沫驱就是一种新型“三采”技术，它的视粘度高、封堵调剖效力强，而且随渗透率的增大，其封堵能力也随之增强，并且对油水的封堵具有选择性1，因此泡沫驱在未来油田石油开发中将拥有很大的潜力并且会扮演越来越重要的角色。但随着石油开采的进行，矿场条件逐渐恶化，单一泡沫体系已很难满足提高采收率的需求。而且对泡沫驱方法进行的大量室内和矿场试验结果表明，由于泡沫体系的不稳定性，泡沫驱难以大规模的推广引用。而聚合物与表面活性剂形成的复配体系，即聚合物强化泡沫体系，能够显著提升泡沫的稳定性，并且其驱油效果也较单一泡沫体系有明显的提升2。概括来说，聚合物强化泡沫很好的将聚合物和表面活性剂的多种优点融合起来，获得了比单一泡沫体系及聚合物具有更大的优越性，在实际应用中拥有着更为广阔的发展空间，因此对聚合物强化泡沫展开深入的研究有着重要的实际意义。1.2 聚合物强化泡沫的基本概念1.2.1 泡沫的基本性质泡沫是指互相被液膜隔开的气泡的聚集体，是气体在液体中的分散体系，其中液体以薄膜的形式存在，是连续相，而气相是分散相3。如果以水或者水溶液作为连续的液相，这时的泡沫便是水基泡沫。研究发现纯的液体不能产生稳定的泡沫，因此在实际应用中为了使泡沫稳定，一般要加入泡沫剂。加入泡沫剂后，气体更容易发泡，并且可以阻止泡沫在短时间内破裂。泡沫的稳定性有狭义和广义两种解释。广义可以解释为，泡沫维持其本身稳定存在的时间，而狭义则是泡沫抵御外部环境影响而保持自身稳定的时间，这是实际应用中所采用的一种解释4。泡沫破裂的机理有两点：（1）泡沫液膜中液体流失。泡沫相互挤压以及重力都会造成泡沫体系中液体的流失，致使泡沫液膜变薄，弹性减弱，最终的结果是泡沫破裂。（2）气体透过液膜扩散。由 Lapalace 方程可知，泡沫体系内，大泡的压强1第 1 章前言比小泡大，所以小泡沫内的气体会在压力作用下向大泡沫中扩散，产生的结果是，小泡更小，大泡更大，泡沫之间的压差变大，最终使得泡沫破裂。影响泡沫稳定性的因素很多，但均是直接或间接的通过这两个方面而影响泡沫的稳定性。1.2.2 聚合物复合泡沫驱以及其性能泡沫体系的不稳定性使其一直不能在油田和矿场中推广应用，所以近年来有人提出将聚合物加入到泡沫溶液中，形成聚合物-表面活性剂强化泡沫体系，从而进一步提高泡沫膜的稳定性和强度以及泡沫的封堵调剖能力。在油藏条件下，常规泡沫驱油技术稳定性较差；聚合物泡沫体系同时拥有聚合物及表面活性剂各自的优点,产生了复配强化的效果,能够同时提高洗油效率与波及系数5。聚合物的加入对泡沫体系的强化效果体现在以下几个方面：（1）聚合物可以提高泡米体系的液体黏度、泡沫液膜厚度和强度，并且能够使泡沫的排液半衰期变长从而使得泡沫体系更加稳定，以达到强化泡沫的效果；（2）加入聚合物形成的复合泡沫体系有着较为稳定的压差比，而不是像单一泡沫体系一样随着水的注入逐渐地下降，表明聚合物复合泡沫稳定性得到增强；（3）残余油状态下，聚合物的加入使得形成的复合泡沫体系的封塞能力显著高于单一泡沫体系，这是因为，单一泡沫体系中泡沫接触到油会使泡沫液膜受到油的影响变得不稳定，容易破灭，而聚合物复合泡沫体系由于加入了聚合物，泡沫的液膜变厚，耐油能力提高并且更加稳定；（4）聚合物复合泡沫驱的选择性调剖能力比单纯的泡沫驱或聚合物驱更强，这主要是由于聚合物复合泡沫体系在多孔岩石中移动时，产生假塑性流体，其拥有非常大的表观粘度及良好的油水区分性。总而言之，聚合物复合泡沫驱比单纯的泡沫体系具有更强的稳定性，比单纯的聚合物体系对油、水具有更优异的选择性，更能提高低渗层的采出程度6。因此可以看出，聚合物复合泡沫体系无论是发泡能力还是稳定性都较单纯的泡沫体系有所提高。并且在残余油存在的状态下，聚合物复合泡沫体系更加稳定，能够更好地发挥泡沫体系良好的封堵效果。1.3 盐离子对泡沫稳定性的影响油藏地质条件十分不稳定，时刻发生着变化，泡沫驱用以提高采收率需要考虑众多因素的影响，其中矿化度是影响泡沫驱效率的一个重要因素，因此盐离子对泡沫稳定性2第 1 章前言的影响一直是泡沫驱中的热点问题之一。目前泡沫驱所使用的发泡剂也多为抗盐性能较好的离子型表面活性剂，其主要是通过影响离子型表面活性剂相互作用来影响泡沫的稳定性。盐离子与离子型表面活性剂极性基团之间的相互作用使得表面活性剂的临界胶束浓度及气液界面上发生的吸附等产生变化。泡沫液膜性质受盐离子影响有如下规律：无机盐浓度较低时，泡沫稳定性与盐度呈正相关；而浓度较大时，泡沫稳定性随盐度增大而显著减弱7。近年，人们对于盐离子对泡沫体系稳定性的影响做了许多研究，分别用到了实验的和分子模拟的手段，并取得了一定的研究成果。实验方面，李春秀8通过考察泡沫体积、半衰期以及表面活性剂在气液界面上的聚集行为等研究了盐离子对泡沫稳定性的影响。其究结果显示，不同种类的无机盐对泡沫稳定性影响有差异，通常二价金属离子，例如 Ca2+，Mg2+ ，相比一价金属离子如 Na+ 影响大，而且对于两种二价盐离子，Mg2+对于泡沫稳定性的破坏比 Ca2+大。实验手段在测定泡沫性能上有着很大的贡献，但其很难解释盐离子对泡沫稳定性的影响的微观机制，而分子动力学模拟可以弥补这个方面的不足。分子动力学模拟（MD）是基于分子水平研究分子动力学的重要工具，能够研究表面活性剂体系的界面性质，从微观的角度解释盐离子对泡沫稳定性。彭铁峰9等就是用分子动力学模拟的方法，通过分析研究液膜性质和定量分析薄膜破裂，从势能变化、偶极子函数（DAFS）等方面研究了不同浓度盐离子对泡沫稳定性的影响。发现含有盐离子的水溶液，薄膜中水的偶极子相关函数较纯水要大。结果表示，浓度较低的情况下，盐离子会对单层膜的稳定性产生不利影响，而且其对薄膜破坏程度与盐离子和水分子之间的作用及薄膜表面分子的分布有关。1.4 温度对泡沫稳定性的影响不同地区以及不同时期，油田温度是有差别的，并且在开采过程中，泡沫在井下所处环境也不同，温度也自然而然的时刻发生着变化。因此考虑温度对泡沫稳定性的影响在实际工作中有着非常重要的意义。根据吉布斯原理，任何体系总是向着能量最低的状态发展。而温度较高时，分子运动更加剧烈，泡沫体系的能量也相对较高，此时泡沫的稳定性较低，反之泡沫的稳定性较强10。3第 1 章前言(1)温度对泡沫衰变过程的影响泡沫的衰变行为温度不同时也是不同的：温度较低时，在泡沫排液使泡沫达到一定厚度后就呈现出亚稳定状态，气体扩散是其主要的衰变过程。温度较高时，泡沫自顶端朝下发生破裂，泡沫体积逐渐减小，并且减小有一定的规律。这是因为处于顶部的泡沫顶端始终是凸出的，由于表面性质下降，这种弯曲的膜很容易发生蒸发，并且蒸发速度与温度呈现正相关关系，泡沫也就随着蒸发的进行而变薄，薄到了一定程度泡沫便自行破裂。因此，多数泡沫的稳定性是随着温度的升高而下降的11。(2)温度对表面膜性质的影响表面膜性质对温度是十分敏感的。吸附量与温度为反比关系，温度越低，吸附量越大，且分子独占面积减小，表面粘度增强。Maraangoni 效应增强，表面弹性提高，即表面膜性质增强，从而泡沫的稳定性提高12。(3)温度对表面活性剂溶液的影响表面活性剂溶液受到温度的影响主要可以体现在两个方面。一是溶液表面张力，一般是与温度成反比关系，这是由于温度降低会使液体的饱和蒸汽压减小，气相分子密度减小，所以气相分子对表面分子的吸引力减小；反之，温度降低会使液相的体积收缩，液相分子间距减小，分子间相互作用力增强，这两种效应均使得液体的表面张力增大13。二是溶液粘度随温度的变化：温度降低，溶液收缩，分子间间距减小，同时分子运动减缓，导致分子间能力增大，水化程度提高；而且表面活性分子排列更加紧密，则溶液粘度提升，排液速率减慢，泡沫稳定性提高14。目前对于盐离子对泡沫稳定性影响的研究已经取得了一定的成果。但是对于不同种类盐离子种类以及温度对聚合物复合泡沫体系稳定性的影响，还很少有文献做了深入详细的介绍。因此本文采用分子模拟的方法研究了几种不同的阳离子（Na2+、Ca2+、Mg2+）以及温度对 HPAM-SDS 复合泡沫体系稳定性的影响。4第 2 章 理论计算方法和模拟软件简介第 2 章 理论计算方法和模拟软件简介分子模拟（Molecular Simulation）是指基于理论基础的计算技术，可模拟分子运动的微观行为，解释其微观机理15。目前分子模拟技术正在逐渐走向成熟，其应用领域十分广泛，涉及物理、化学化工、材料科学、生命科学、石油等各个领域，在科学研究中起着越来越重要的作用。本章主要介绍分子模拟中的分子力学方法和分子动力学模拟。2.1 分子力学方法（MM）分子力学方法(Molecular Mechanics），又称力学方法，创造与 1970 年，是一种基于经典力学的计算方法。分子力学方法广泛地用于计算分子的构象和能量，在生物化学、药物设计、配位化学中等领域中都有充分的利用。在模拟过程中，分子力学方法采用了玻恩奥本海默近似来处理计算模型，忽略了电子的运动，通过分子力场对分子和体系进行参数设置和计算。此处力场的一般表达式为：E=Estretch+ Ebend+ Estorsion+ Evdw+ Eelec+ 其中，Estretch 和 Ebend 分别为键的伸缩能和键的弯曲能；Estorsion 为键的扭曲势；Evdw、Eelec 分别为非键作用中的范德华和静电相互作用分别。2.2 分子动力学模拟(MD)分子动力学模拟是指基于经典的力学方法和牛顿运动定律，对于所建体系的模型，通过设定一系列的参数来模拟真实条件，从而研究体系分子、原子的运动过程，通过求解离子运动的牛顿方程给出运动离子的位置和速度随时间变化的轨迹，进一步计算得到系统的结构和性质。分子动力学模拟方法有正确的物理依据，求解的结构准确率较高，应用十分广泛。2.2 Materials Studio 软件简介Materials Studio（MS）软件包一款为材料科学研究者设计，可以构建三维结构模型、研究分析材料性能及其反应机理等的模拟软件，它由 Accelrys 公司开发。材料研究中可以利用 MS 解决一系列复杂的问题，在该领域应用及其广泛。以下是本文所使用的Visualizer、Discover、Amorphous 以及 Forcite 几个模块进行介绍：5第 2 章理论计算方法和模拟软件简介Visualizer 模块：MS 中最基本的模块，即可视化面板，其主要作用是构造或设计模型。使用本模块能够构建需要的模型，后对所建模型进行操作和分析；Amorphous Cell模块：使用此模可以块构建所需要的无定型晶胞，还能够构建混合体系模型并自动优化；Discover 模块：可以对所建模型设定力场，非键作用等参数，对体系进行能量的计算，可以对所建模型进行优化，以及动力学模拟并分析；Forcite 模块：该模块十分使用，使用此模块可以优化构建的体系，还能够进行动力学模拟，分析得到材料的结构信息和各种热动力学性质。6第 3 章 不同盐离子对 PAM-SDS 强化泡沫体系稳定性的影响第 3 章 不同盐离子对 PAM-SDS 复合泡沫体系稳定性的影响3.1 引言十二烷基硫酸钠（SDS）是一种典型的阴离子型表面活性剂，其结构简单，容易制备，价格低廉，并且具有良好的发泡性能，是一种十分常用的泡沫剂。聚丙烯酰胺（PAM）是一种水溶性的线性非离子型聚合物，它在体系中会产生非常强烈的表面吸附作用，是一种很好的稳泡剂。本论文以表面活性剂 SDS（十二烷基硫酸钠）为起泡剂，以聚丙烯酰胺为稳定剂，形成聚合物复合泡沫体系。复合泡沫体系能够很好的融合聚合物及表面活性剂的多种优点，使泡沫体系的稳定性得到显著增强。因此，研究 HPAM-SDS 聚合物复合泡沫体系对于我国各大油田稳产、增产具有很大的实际意义。一直以来，盐度对泡沫稳定性的影响广受关注。因此研究盐离子对聚合物强化泡沫驱泡沫稳定性的影响，对提高其耐盐性能、提高采油率具有十分重要的意义。但由于实验研究的局限性，目前对泡沫稳定性的研究主要停留在宏观性质上，如表面张力、临界胶束浓度（CMC）等，很难从微观角度解释盐离子对泡沫稳定性影响。而分子模拟方法可以弥补实验手段的不足，更好的探究盐离子对泡沫稳定性影响的微观机理。不同油田由于所处地域的不同，其油藏条件是不相同的，因而各自所含无机盐的种类与浓度也必然存在差异。因此研究不同种盐离子对泡沫稳定性的影响对不同油藏选择泡沫剂有重要的参考价值。本文的考察了 Na+、Ca2+和 Mg2+几种不同的阳离子对复合泡沫体系稳定性的影响，并做了详细的比较分析。3.2 模型与方法本文利用 Accerlrys 公司研发的 Materials Studio (MS) 6.0 软件包进行模型构建和计算分析。图 3-1 是构建本文所需模型所使用的十二烷基硫酸钠（SDS）和聚丙烯酰胺（HPAM）分子构型示意图：7第 3 章不同盐离子对 PAM-SDS 强化泡沫体系稳定性的影响（a）（b）图 3-1 （a）十二烷基硫酸钠（SDS）和（b）聚丙烯酰胺（HPAM）的分子构型Fig. 3-1 Model of surfactant dodecyl sodium sulfate and partially hydrolyzed polyacrylamide本文采用镜面对称的表面活性剂单层膜结构构建聚合物和表面活性剂的模型。首先通过 Visualizer 模块构建 SDS 分子、聚丙烯酰胺单体和水分子。接着，用 Amorphous 模块构建含有 1800 个水分子的水盒子，根据表面活性剂分子的最小占有面积，确定水盒子的大小为 58.24 *29.12 *33.27 。在构建水盒子同时，要根据加入的 SDS 表面活性剂单分子层以及聚丙烯酰胺分子的数量，加入相应数目的 Na+，以保持体系的电中性，在此基础上，再加入一定数量（见表 3-1）的 Na+、Ca2+和 Mg2+，以研究不同种类的无机盐对复合泡沫体系稳定性的影响。之后，用 Amorphous 模块构建个数为的十二烷基硫酸钠单分子层。再通过 Build 模块中 Build Layer 构建 58.24 *29.12 *140.92 的表面活性剂-水层-表面活性剂三层结构体系模型，SDS 表面活性剂的头基放置到水层的表面，在体系中十二烷基硫酸钠单层膜上下各增加真空层 30 ，如图 3-2 所示。其中橙色代表水分子，绿色代表聚丙烯酰胺分子链，紫色代表阳离子如 Na+，白色代表十二烷基硫酸钠的尾链，红黄色代表十二烷基硫酸钠的头基。各个分子、盒子均要使用 Discover 模块中得 Setup 和 Minimizer 进行电荷分配和初步优化。8第 3 章不同盐离子对 PAM-SDS 强化泡沫体系稳定性的影响图 3-2 HPAM-SDS 强化泡沫体系的初始构型Fig.3-2 The initial configuration of HPAM-SDS foam systems模拟过程中，温度稳定在 298.0K，使用 Andersen 恒温器控温，势能函数以及原子间的相互作用参数选择选择 COMPASS 力场，对体系的优化用 Smart Minimizer 方法，采用 NVT 系综。长程静电相互作用的计算采用 Ewald 方法，范德瓦尔斯相互作用采用atom based 方法进行计算,截断半径为 0.95nm，时间步长为 1fs，每 1ps 记录一次轨迹信息，模拟总时间为 1ns。表 3-1 各模型盐离子的数目Table 3-1 Number of various ions of every modelNa+体系Ca2+体系Mg2+体系Na+1326868Ca2+32Mg2+32Cl-6464643.3 结果与讨论3.3.1 不同种类盐离子对表面活性剂吸附构型的影响图 3-3 中的（a）、（b）、（c）分别是含有 Na2+、Ca2+和 Mg2+的 HPAM-SDS 复合泡沫体系在动力学模拟平衡前后的构型。由图可见，动力学平衡后，表面活性剂 SDS 的结构发生了明显变化，SDS 的头基和尾链呈现出无序状态，亲水性头基插入水中，疏水性尾链大部分露在空气中，聚合物聚集在界面处，盐离子在极性头基的作用下迁移至界面处。9第 3 章不同盐离子对 PAM-SDS 强化泡沫体系稳定性的影响(a)（b）（c）图 3-3 泡沫体系初始构型和平衡构型图 (a)：Na+体系；(b)：Ca2+体系;(c):Mg2+体系Fig.3-3 The initial configuration and equilibrium configuration of foam systems10第 3 章不同盐离子对 PAM-SDS 强化泡沫体系稳定性的影响从图 3-3 中还可以看出，初始构型中，SDS 的头基和尾链近乎与 Z 轴平行，而动力学平衡之后，SDS 分子构型发生了改变，SDS 的头基和尾链不再平行于 z 轴方向，而是与 Z 轴之间有一定的夹角。图 3-4 为 SDS 头基和尾链与 z 轴方向夹角的示意图。图 3-4 SDS 的头基和尾链与 z 轴夹角示意图Fig. 3-4 The tilt angles of headgroups and tail of SDS respect the z direction为了更具体的研究不同盐离子对复合泡沫体系的影响，进一步研究了加入钙、镁离子后 SDS 分子结构的变化，考察了各个体系中 SDS 尾链相对于 z 轴方向夹角的变化。图 3-5 为 SDS 表面活性剂尾链与 Z 轴方向的夹角分布曲线图。Probability(%)0.0200.0150.0100.005Na+Mg2+0.0000Ca2+20406080100Angle()图 3-5 SDS 尾链与 z 轴夹角分布Fig. 3-5 The tilt angles distribution of the tail of SDBS respect to z direction11第 3 章不同盐离子对 PAM-SDS 强化泡沫体系稳定性的影响通过分析三种不同盐离子体系的 SDS 尾链与 Z 轴的夹角分布曲线，可以看出，Na+体系的尾链倾角的峰值分布在 65左右，Ca2+体系的尾链倾角的峰值分布在 41左右，而 Mg2+体系的尾链倾角的峰值分布在 22左右，Na+、Ca2+和 Mg2+体系 SDS 表面活性剂的尾链与 z 轴之间的倾角逐渐减小。尾链的倾角越小，界面上表面活性剂分子构成的网络结构越疏松，泡沫的稳定性越低16。据此结论，可以得到的结果是： Na+体系的表面活性剂尾链分布对稳定泡沫的作用比 Ca2+和 Mg2+体系的大，进而证明了二价盐离子对于强化泡沫体系稳定性的影响较一价盐离子大；而对于两种二价盐离子，可以看到 Mg2+ 对强化泡沫稳定性的破坏比 Ca2+大。3.3.2SDS 头基、聚合物与水分子的相互作用通过分析聚合物复合泡沫体系中各个组分的分布情况，能够较为直观的观察 PAM-SDS 复配体系的聚集形态，进而研究加入盐离子后，泡沫体系稳定性受到的影响。如图 3-6 所示为体系不同组分沿 z 方向的密度剖面图，包括 SDS 的头基和尾链、聚合物HPAM、水分子、Na+、Ca2+、Mg2+，分别由紫色、蓝色、黑色、橙色、绿色、红色曲线表示。15HO212Na+HpamDensity(g/cm)Head9Tail63010012014080Distance()12.5Na+PAM10.0Ca2+HeadDensity(g/cm)7.5TailHO25.02.50.09010011012013014080Distance()（a）（b）Density(g/cm)Na+12Mg2+HO29HeadTailPAM6309010011012013014080Distance()（c）图 3-6 HPAM-SDS 复合泡沫体系的不同组分沿着 z 方向的密度分布曲线(a)：Na+体系；(b)：Ca2+体系；（c）：Mg2+体系Fig. 3-6 The density curves of different components of foam system.12第 3 章不同盐离子对 PAM-SDS 强化泡沫体系稳定性的影响从图中可以看到，阳离子 Na+、Ca2+和 Mg2+的分布在表面活性剂头基周围，这是因为 SDS 的极性头基与阳离子之间存在静电相互作用。比较 Na+体系、Ca2+体系、Mg2+体系中 Na+、Ca2+和 Mg2 +的密度分布曲线，可以发现 SDS 头基周围 Na+相对浓度的最大值为 5.8,Mg2+相对浓度的最大值为 11.9，而 Ca2+相对浓度的最大值为 8.2。这一结果可以得出，Na+、Ca2+、Mg2+体系中 SDS 周围 Na+、Ca2+和 Mg2+的数量依次增多，这说明 Na+、Ca2+和 Mg2+与 SDS 头基之间的相互作用依次增强。而对于 Ca2+、Mg2+泡沫体系，可以说明头基周围的 Na+的相对浓度却依次增大，说明 Mg2+取代了更多的 Na+与表面活性剂的头基相互结合。为了进一步研究盐离子对强化泡沫体系稳定性的影响，考察了界面水分子层厚度的变化。水分子在界面处互相之间的作用减弱产生界面水分子层，即图 3-6 中气液界面存处水分子密度曲线下降的部分。SDS 的亲水头基与盐离子极性相同，因此，表面活性剂层和无机盐会在一定程度上破坏界面处水分子之间的氢键相互作用，从而使得界面水层的厚度改变。因此界面水层厚度可以反映表面活性剂的亲水头基与水分子作用的强弱，从而反映出泡沫的稳定性。下面就通过界面水层厚度来分析 Na+ 、Ca2+ 和 Mg2+ 对HPAM-SDS 复合泡沫体系稳定性的影响。可以看出 Na+、Ca2+和 Mg2+三个体系的水层厚度有明显不同，之后采用“10%90%”厚度原则22，如图 3-7 所示，计算模型出界面水层厚度。图 3-8 HPAM-SDS 复合泡沫体系界面水层厚度示意图Fig. 3-8 Thickness of foam film interfacial hydration layer13第 3 章不同盐离子对 PAM-SDS 强化泡沫体系稳定性的影响表 3-2 含不同离子的泡沫体系的界面水层厚度Table 3-2 Tickness of interfacial hydration layer of foam systems within different ionsionsNa+Ca2+Mg2+界面水层厚度()9.217.766.93表 3-2 为 Na+、Ca2+和 Mg2+体系的界面水层厚度，显然，Na+、Ca2+和 Mg2+体系的界面水层厚度逐渐减小。降低表面张力的能力是衡量表面活性剂效力的重要标准，而界面水层厚度越大，表面张力越小，即界面水层厚度与表面活性剂降低表面张力的能力成反比，所以 Na+体系表面活性剂单层膜的性质较 Ca2+和 Mg2+体系更稳定，所对应的泡沫稳定性也更好17, 符合前文得出的结论，即二价盐离子对于强化泡沫体系稳定性的影响较一价盐离子大；而对于两种二价盐离子，可以得到：Ca2+体系复合泡沫的稳定性比Mg2+体系的好。为了进一步研究 Na+、Ca2+和 Mg2+体系的界面水层厚度逐渐减小的原因18，继续考察了钠、钙、镁离子对 HPAM-SDS 复合泡沫体系水分子分布的影响。图3-8 是钠、钙、镁离子体系 SDS 表面活性头基与周围水分子的径向分布曲线图。径向分布函数（RDF）是离子周围距离为 r 处出现另一个离子的几率，它可以反映出溶液中离子之间的结构信息，也可以用来研究物质的有序性19。从图 3-8 中可以看出，对于钠、钙、镁离子这三个体系，第一个峰分别都接近在 2.7 处出现，表示头基与水分子存在极性相互作用，并在两者距离为 2.7 处相互作用最强。RDF 曲线都接近在 2.1 处陡增，而均在 3.2 处出现第一个波谷。由此可见，对于三个不同的体系，SDS 头基周围水