分子模拟研究二羧基氨基酸表面活性剂泡沫的环境响应性.docx

1、分子模拟研究二羧基氨基酸表面活性剂泡沫的环境响应性摘 要本论文采用分子动力学模拟方法，研究了二羧基氨基酸表面活性剂泡沫对pH值和温度的响应特性。通过改变表面活性剂分子上羧基的去质子化状态以及模拟温度，对不同pH值和温度下的泡沫液膜模型进行动力学模拟，研究月桂酰丙二酸钠（LMS）、月桂酰天冬氨酸钠（LAS）和月桂酰谷氨酸钠（LGS）三种泡沫体系对pH值和温度的响应特性。通过考察相对浓度分布、径向分布函数、均方位移曲线和表面张力等，研究了三种泡沫体系的稳定性随pH值和温度的变化。结果显示：在中等pH值条件下，表面活性剂分子间静电排斥作用较弱、羧基与水形成氢键的能力较强，因而泡沫液膜的稳定性最好；随

2、着温度升高，表面活性剂和水分子的扩散速率加快，液膜保水持水能力下降，泡沫液膜稳定性明显降低。关键词：二羧基氨基酸表面活性剂；泡沫；分子动力学模拟；环境响应性The environmental responses of dicarboxylic amino acid surfactant foam：a molecular dynamics simulation studyAbstractIn this paper, the molecular dynamics simulation method was used to study the response of dicarboxyl amino

3、 acid surfactant to pH and temperature. By changing the deprotonation state of the carboxyl group and simulation temperature，the foam liquid membrane model in different conditions of PH and temperature was simulated. This helps to research the effects of sodium lauroyl malonate (LMS), sodium lauroyl

4、 aspartate (LAS) and sodium lauroyl glutamate (LGS) on pH and temperature. The variation of the stability of the three foam systems with pH and temperature was studied by investigating the relative concentration distribution, radial distribution function, mean square displacement and surface tension

5、. It was found that under the condition of moderate pH, the intermolecular electrostatic repulsion between surfactants is relatively weak, and the ability of carboxyl group to form hydrogen bonds with water is relatively strong. Therefore, the stability of foam liquid membrane achieves the best. Wit

6、h the increase of temperature, the diffusion rate of surfactants and water molecules is accelerated, and the water holding capacity of liquid film is decreased. So the stability of foam liquid membrane decreases obviously.Keywords：Dicarboxylic amino acid-based surfactant；Foam；Molecular dynamics simu

7、lation；Environmental responsiveness目 录第1章 引言11.1 表面活性剂概述11.1.1 表面活性剂定义及结构特性11.1.2 表面活性剂的分类11.1.3 表面活性剂的性质21.1.4 氨基酸类表面活性剂在现代工业中的应用31.2 二羧基氨基酸表面活性剂41.2.1 二羧基氨基酸表面活性剂简介41.2.2 二羧基氨基酸表面活性剂研究现状51.3 环境对二羧基氨基酸表面活性剂的影响51.3.1 pH对二羧基氨基酸表面活性的影响51.3.2 温度对二羧基氨基酸表面活性剂的影响61.3.3 无机盐对二羧基氨基酸表面活性剂的影响61.4 本论文的研究背景及研究内容

8、7第2章 理论方法与MS软件简介82.1 理论计算方法介绍82.1.1 量子力学方法82.1.2 分子力学方法82.1.3 分子动力学模拟82.2 Materials Studio软件原理简介9第3章 二羧基氨基酸表面活性剂泡沫对pH值响应性的分子动力学模拟103.1 引言103.2 模型和模拟方法103.3 结果与讨论123.3.1 表面活性剂单层膜的结构性质123.3.2 表面活性剂与水的相互作用143.3.3 表面活性剂之间的相互作用163.4 本章小结18第4章 二羧基氨基酸表面活性剂泡沫对温度响应性的分子动力学模拟194.1 模型和模拟方法194.2 结果与讨论194.2.1 表面活

9、性剂头基与水的相互作用194.2.2 表面活性剂头基周围水分子的扩散行为214.2.3 表面活性剂头基的扩散行为224.3 本章小结24第5章 结论25致 谢26参考文献27第1章 引言第1章 引言1.1 表面活性剂概述1.1.1 表面活性剂定义及结构特性表面活性剂或者是表面活性物质是一类两亲性物质，它具有特殊结构、特别的吸附性能以及特定亲水或亲油功能1，加入很少的量就可以很大程度的减小溶液的表面张力和液体与液体之间的界面张力（通常用水来做溶剂）。该分子一般情况下是双亲化合物，它的分子构造一般不具有对称性，其分子主要由两部分构成,一是与水容易相溶的亲水基，二是容易溶在油当中却不能和水互溶的亲油

10、基，也就是我们常说的憎水基。这类分子具有一面亲水，另一面又亲油的性质，然而该分子整体具有的特性不完全都是一种性质，所以这种分子也被命名为“双亲分子”2。表面活性物质最初应用在香皂等产品中，紧接着被许多行业开发出来，例如各种试剂甚至是制衣产业。由于科学技术的不断提升，尤其对于环境污染方面及节能要求的不断加强，该分子也不仅仅应用于衣物制造业的辅助剂，同时也演变成为了油气开发、药物、汽车、造船业、卫生用品、洗衣粉、房地产制造等等多种产业的辅助剂，也因此变成在普通制造业、高精尖行业以及与我们日常息息相关的多种行业不能被取代的必要物质。也因为各行各业的广泛应用，该物质的种类非常繁多3。1.1.2 表面活

11、性剂的分类表面活性物质主要分为离子型和非离子型，离子型表面活性剂又分为了两性型、阴离子型、阳离子型以及两者结合构成的阴阳离子型4。非离子型表面活性剂分为小极头型和大极头型，两种类型表面活性剂混合可变成混合型表面活性剂5。表面活性剂按照合成方式也可分为天然型半合成型和合成型。例如蛋白质、果胶、藻类都属于天然型，甲基纤维素、壳聚糖改性物、耐离子型淀粉这些属于半合成型表面活性剂，顺丁烯二酸共聚物等属于合成型表面活性剂的范畴。阴离子型表面活性剂主要包括磷酸盐型、羧酸盐型和磺酸盐型这几种6。例如磷酸酯盐型是由P2O5和ROH相互反应后，通过中和反应产生的物质，其在香皂肥皂的生产中被广泛使用。阳离子型又包

12、括了伯、仲、叔、季铵盐，也叫做四级铵盐，可表达成R4N+X-。X-可以是酸根离子，也可以是卤素离子，烃基则用R来表示。这种表面活性剂可用作衣物上色剂7、眼药水中的抗菌剂和软化剂等。非离子型8包括脂肪酸环氧乙醇加成物、高碳烷基胺环氧乙烷加成物、油脂环氧乙烷加成物、聚二丙醇环氧乙烷加成物、烷基苯酚环氧乙烷加成物和季戊四醇脂肪酸酯等9。该种表面活性剂可用于衣食住行的方方面面，如消泡剂、洗洁精和食品添加剂等。两性表面活性剂10与阴离子型，阳离子型活性剂有所差别，该物质的一边既有酸性基团同时也存在碱性基团。诸如胺基，羧基相互配合可以耐各种形式的盐。这些两性表面活性剂11因为具有一些优良性质如低毒性、抗病

13、毒性、及非常良好的互溶性被广泛应用于洗衣、抗菌、发泡等多种方面。有时候考虑到成本因素，表面活性剂的可以适用的地方比较局限。1.1.3 表面活性剂的性质表面活性剂最初演变成胶束的临界点浓度称为临界胶束浓度，每种表面活性剂的临界胶束浓度是不一样的12，它在水中到临界胶束浓度时，有许多原本微溶或者不溶的物质在这种胶束溶液中溶解度可以有所提升，这种现象可以称作增溶，顾名思义就是增加溶解度的意思。由于该种物质在气液界面上有吸附作用，可以降低水的表面张力，并且吸附在两种液体的界面处也会降低液体间的界面张力，比如水和油之间的界面张力，多种表面活性剂可以聚集在一起构成囊泡或是胶束13。如图1-1所示，当它变成

14、胶束14时，在溶液里胶束所形成的末端可以覆盖住整个核，油分子也进入了核当中变成壳，从而联系在一起，成为了一个整体。在我们进行收集石油的过程里，这种分子是作为一种反向胶束存在的，头部紧紧扎进壳里，通过末端与外面的油层进行非常密切的结合。图1-1 表面活性剂聚集在体系中形成胶束表面活性剂由于其不同的基团可以自由配对，从而配成几千种形式的分子。那么功能当然也是不尽相同。最熟知的那几大类也是作用各异。同时有关热动力学方面的研究15对其也是尤为关键。因为它是一种区别于正常的序列态的中间态，同时也可能同时包含许多种状态比如规则状态和混乱状态。这些分子的末端集中在一起，防止和极性水分子接触，头端则和水亲密接

15、触。憎水部分将憎水基团围住，防止被水分子结构破坏。最后“双亲分子”变成胶束，通过胶束的一系列作用可以使表面活性剂与多种溶剂相溶。将这些物质应用于生产生活中时，应当注重量的把握，适中即可，过多或者过少都会严重影响效果。1.1.4 氨基酸类表面活性剂在现代工业中的应用氨基酸表面活性剂的环保和低毒性等优点使得它在许多现代工业中受到广泛关注，诸如食品加工业，及洗护用品业16。同时，将这些氨基酸和脂肪链组合起来，使得生产的表面活性剂结构千变万化。不同种类的两亲分子用不同种类氨基酸替代其头端，此外，疏水端连接氨基酸的羧基，可以构成以下几种衍生物：含有酰基的衍生物，酯键的衍生物，烷基衍生物，胺基衍生物。将这些衍生物的结构进行稍加改动，就会产出各种性质，多种用途的表面活性剂。（1）在皮革加工方面的应用氨基酸表面活性剂在皮革加工业里用途非常广泛，一般在整个制造过程中被当作助染剂，乳化剂和皮革加脂剂17。因此，在皮革中加入氨基酸表面活性剂可以使得皮革具有防水、易上色、饱满等特性，并且更加柔软，光亮，从而更加美观的用于皮鞋、皮带的生产。另外，在干洗，抗溶方面也有应用17。（2）在个人护理方面的应用氨基酸表面活性剂在个护工业的应用一般包括以下几个方面：洁面产品、化妆品18、口腔护理用品19和洗涤剂等。以洁面产品中的洗面奶