表面活性剂吸附改变亲油岩石润湿性的微观机理研究

　　[摘要]不同类型的表面活性剂在表面的吸附形态是不同的，文中选取了能有效调控亲油岩石润湿性的表面活性剂OP-10、AES作为研究对象，探讨其改变岩石表面润湿性的微观机理。

　　[关键词]表面活性剂润湿性模型

　　中图分类号：TE31文献标识码：A文章编号：1009-914X（2018）23-0040-01

　　1前言

　　采用MD模拟方法研究表面活性剂OP-10和AES在亲油砂岩表面基体上形成的自组装单层膜表面的润湿行为，分析表面活性剂吸附所导致的润湿性变化，通过计算相互作用能、径向分布函数的微观参量，揭示表面活性剂吸附后亲油岩石的润湿反转机理。

　　2模型与计算方法

　　構建表面大小为6.87nm×6.80nm的甲基化二氧化硅表面模拟亲油砂岩，在该表面上搭建完整致密的OP-10和AES分子自组装单层膜结构，运用BuildNanostructure工具构建一个包含479个水分子的纳米水滴结构，并将该水滴分别置于两种单层膜表面上，通过结构优化便得到模拟所需的初始构型，如图1所示。选择COMPASS力场，温度为298K，NVT系综，范德华和库仑相互作用分别采用Atombased和GroupBased方法进行计算，截断半径为1.25nm，模拟1000ps，步长选择1.0fs。

　　3结果与分析

　　3.1平衡吸附构型

　　平衡吸附构型如图2所示。可以明显看出，纳米水滴结构坍塌，在两种自组装膜表面上均能够吸附铺展，表明OP-10和AES分子自组装膜表面具有良好的润湿性；水滴在两种自组装膜表面上的接触角分别31.5°和25.3°，这进一步表明了OP-10和AES分子自组装膜表面呈现出良好的亲水性。因此，当表面活性剂吸附后，在亲油岩石表面产生新的表面，新表面呈现水湿性，亲油岩石表面发生润湿反转。

　　与理想羟基化二氧化硅表面相比，水分子并没有完全覆盖在表面活性剂自组装膜表面上形成一层水膜，而呈一定倾角润湿铺展，部分区域并没有被水分子占据，说明自组装单层膜对水的润湿能力比理想羟基化二氧化硅表面要弱。

　　3.2径向分布函数

　　径向分布函数（RDF）可以反映两种不同粒子在彼此空间中的分布规律。我们首先测定了表面活性剂头基中的O原子与水中O原子之间的径向分布函数，如图3所示。

　　两曲线的第一峰值均出现在0.275nm处，距离在形成氢键的范围之内，表明水分子与表面活性剂间存在氢键相互作用；水分子在库伦力和氢键的综合作用下，在表面聚集形成第一水化层；第二个峰值出现在距离为0.515nm处，它距第一峰值的距离为0.24nm，在水分子间形成氢键的范围之内，说明上层水分子通过分子间氢键在第一水化层之外形成第二水化层；这种相互作用还可继续向远处延伸，从图中可以看出在0.76nm处还存在第三水化层，只是这一峰值已经变的很弱。因此，水分子与表面活性剂间能够形成氢键是其导致亲油岩石表面润湿反转的另一重要原因。AES分子中O原子与水中O原子径向分布函数的第一峰值强度要大于OP-10的，说明AES自组装膜表面周围第一水化层中分子数目更多，氢键作用更强，即AES分子改变润湿性的效果更好。

　　3.3水分子的扩散性能

　　纳米水滴向自组装膜表面的迁移扩散程度越大，说明水分子与表面间的相互作用越强，水滴更容易润湿固体表面。纳米水滴的扩散能力通过MSD曲线和扩散系数进行衡量。为形成对比，我们还测定了由十二烷（C12）构成的自组装膜表面上纳米水滴的扩散行为，如图4所示。

　　由图可知，吸附OP-10和AES自组装膜的亲油岩石表面水分子的扩散能力要远大于吸附C12的，原因是水分子与表面活性剂中的O原子间存在强的库仑作用及氢键作用，足以克服水滴内分子间的氢键缔合作用而破坏水滴团簇结构，水分子强的吸附扩散促使水滴最终吸附铺展在表面上。AES自组装膜表面上水分子的扩散能力略强于OP-10的，表明水滴与AES自组装膜的相互作用更强，这与上述径向分布函数的分析结果相一致。

　　4结论

　　（1）水滴结构在吸附OP-10和AES单层膜的亲油岩石表面上均发生坍塌，两种单层膜表面均表现出良好的亲水性。表面活性剂分子通过疏水链与表面之间发生吸附，形成单层膜结构，亲水基远离岩石形成新的表面，实现润湿性反转。

　　（2）水分子中氧原子与单层膜表面之间形成氢键，使得靠近表面的水分子发生强烈吸附，足以克服水滴内部氢键缔合作用而破坏原有团簇结构，进而导致上层水分子的继续吸附。AES比OP-10具有更强的润湿性改变能力。

　　（3）水分子在OP-10和AES自组装膜表面上均具有很强的扩散能力，且在AES自组装膜表面上相对更大。

　　作者：付琛