SBS改性沥青相容剂相容机理与扩散行为的分子动力学仿真

Li N. et al. | Materials 2025, 18, 2238 | Materials Studio分子动力学

一、研究背景与工程问题

SBS改性沥青（SBSMA）兼具良好的高低温性能，是重载交通路面的主流胶结材料，但SBS聚合物与基质沥青极性差异大，储存、运输和施工过程中易发生相分离，相容性问题长期制约其工程应用。相容剂是解决这一问题的关键手段。兰州交通大学Li等人采用Materials Studio 8.0软件的Forcite模块，基于COMPASS II力场开展分子动力学（MD）仿真，系统研究了相容剂对SBSMA相容机理与扩散行为的影响，并通过密度与玻璃化转变温度（Tg）分析验证了分子模型的合理性。

图1 沥青四组分分子模型——沥青质、芳香分、饱和分与胶质的分子结构

图2 沥青模型能量收敛曲线——Forcite几何优化约150步收敛

二、分子模型构建与验证

研究建立了四类分子模型：基质沥青、SBS改性剂、SBSMA以及掺相容剂的SBSMA体系，SBS掺量取4%、相容剂掺量取4%。体系经Forcite几何优化（约150步收敛）后，在NPT系综（1atm、298K）下进行分子动力学模拟。模型验证方面：模拟得到的SBSMA密度约1.00 g/cm³，与真实沥青密度（约1.00 g/cm³）高度一致；玻璃化转变温度模拟值约300.00 K，落在文献报道的沥青Tg范围（223~303 K）之内。两项验证共同表明所建分子模型合理有效，能够反映SBSMA的真实状态。

图3 SBS单体分子模型——苯乙烯与丁二烯聚合单体

图4 SBS嵌段共聚物分子模型——两端聚苯乙烯硬段、中间聚丁二烯软段

图5 含相容剂的SBSMA体系模型——相容剂分子（品红色）分散于沥青-SBS共混体系

三、核心发现与工程指导

仿真结果表明，相容剂的加入显著提升了体系的相容性：内聚能密度（CED）提升12.5%（从3.11×10⁸增至3.63×10⁸ J/cm³），分子间作用力增强；溶解度参数差（SPD，δ沥青−δSBS）从0.936降至−0.216，表明相容剂有效缩小了沥青与SBS的溶解度参数差异。扩散行为上，相容剂降低了体系的自由体积分数，扩散系数显著下降（从3.24×10⁻¹降至9.93×10⁻²，降幅约70%），分子运动受到抑制、体系更稳定。径向分布函数（RDF）分析进一步揭示：相容剂中芳香分与饱和分共同作用，打散了沥青质的聚集并抑制π-π堆叠。这些发现与溶解度参数测试、BBR低温性能试验及AFM粘附力观测等实验结果相互印证，为相容剂的分子级优化设计提供了可靠框架。

图6 SBSMA体系玻璃化转变温度曲线——Tg约300K

图7 溶解度参数差SPD——加入相容剂后从0.936降至−0.216

四、我们提供的服务

① 沥青及改性沥青体系的Materials Studio分子动力学建模——SBS/SBR/胶粉改性沥青的相容性与扩散行为仿真 ② 相容剂分子级筛选与配方优化——基于CED、溶解度参数、RDF等多指标评估 ③ 聚合物-沥青界面相容机理研究与改性方案设计 ④ 改性沥青高低温性能的多尺度仿真预测（Tg、扩散系数、自由体积分数等） ⑤ 分子动力学（MD）与实验（BBR/AFM/溶解度参数）联动的跨尺度研究框架搭建

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