非均勻溫度場明膠物理凝膠化轉變過程數(shù)值模擬.pdf

1、隨著科學技術的發(fā)展,凝膠材料在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽迷絹碓綇V泛,已受到越來越多的重視。其中,聚合物物理凝膠是凝膠材料中的一大類,具有溶膠一凝膠和凝膠一溶膠可逆轉變的優(yōu)良特性?；诖颂匦?聚合物物理凝膠通常用作智能材料實現(xiàn)某一方面的功能,這是與通常用作結構材料的化學凝膠相比較的一個巨大不同。因此,不論從當今科技發(fā)展前進的方向,還是從人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?聚合物物理凝膠已成為一種非常前沿與重要的材料,具有巨大的科研與實際應用價值。
　　

2、 明膠凝膠是聚合物物理凝膠中的一種。當溫度低于平衡溶解溫度時,明膠溶膠中的無規(guī)線團分子會互相纏繞形成三螺旋結構,并以此為交聯(lián)點把明膠分子鏈連接成三維網(wǎng)狀結構。三螺旋的濃度達到一定值,明膠溶膠即變成凝膠。當溫度高于平衡溶解溫度時,三螺旋結構便會溶解,凝膠又會重新變?yōu)槿苣z?；诖藘?yōu)良的可逆轉變特性,明膠被廣泛應用于藥物控釋緩釋、生物組織工程、照相感光、食品、化妝品和日用品等行業(yè)中。
　　 研究者們對明膠物理凝膠開展了大量的研究工作

3、,包括:凝膠化機理、凝膠化動力學、凝膠化過程中交聯(lián)結構和宏觀性能的分析等。由于明膠是熱的不良導體,在明膠物理凝膠化過程中,低的導熱系數(shù)必然會導致明膠內(nèi)部產(chǎn)生非均勻的溫度場,最終造成轉變過程中明膠結構和性能的非均勻性。尤其當明膠產(chǎn)品體積比較大時,這種情況更為明顯。明膠結構和性能的非均勻性將直接影響明膠的使用。例如,作為藥物載體,明膠凝膠不均勻的交聯(lián)密度會影響藥物釋放速率的穩(wěn)定性；作為生物組織支架,明膠凝膠不均勻的力學性能會影響支架的強度和

4、壽命。由于目前的實驗手段在時空間尺度上測量動態(tài)凝膠化過程中明膠的結構與性能存在很大困難,因此本文采用計算機模擬的方法來研究這個問題。
　　 本文采用有限元方法,模擬研究復雜溫度場下明膠物理凝膠的唯象凝膠化演變行為,分析凝膠化過程中明膠交聯(lián)結構與宏觀性能的演變規(guī)律,揭示由非均勻溫度場引發(fā)的不同位置節(jié)點上凝膠結構與性能的差異,并探究材料配方和工藝條件對凝膠結構與性能的影響。
　　 主要工作與結論如下:
　　 (1)根

5、據(jù)明膠線團-螺旋轉變動力學方程,確定了三螺旋轉化率的動力學模型,按照向后差分的方法,構建了三螺旋轉化率的數(shù)值計算式；把每一個三螺旋結構看成是一個交聯(lián)點,提出了交聯(lián)密度增量的概念,構建了全量交聯(lián)密度的數(shù)值計算式；引入三螺旋長度分布密度函數(shù)的概念來描述三螺旋的長度分布；定義了數(shù)均三螺旋長度、重均三螺旋長度和三螺旋長度多分散指數(shù)。
　　 (2)推導出明膠比旋光度與三螺旋轉化率的關系式；建立了在凝膠點時三螺旋轉化率與明膠初始濃度的關系,

6、并根據(jù)三螺旋轉化率判斷凝膠點；根據(jù)動態(tài)標度理論,計算明膠凝膠點前的零剪切黏度、凝膠點后的平衡剪切模量和儲能剪切模量。
　　 (3)詳述了明膠凝膠化溫度場的離散、插值函數(shù)計算、單元變分、總體合成及邊界條件的有限元分析過程,忽略明膠線團-螺旋轉變中的微弱放熱,獲得了非穩(wěn)態(tài)溫度場的有限元計算方程。
　　 (4)闡述了考慮溫度場非均勻分布與變化的明膠物理凝膠化轉變場的有限元模擬方法及具體步驟,說明了若干關鍵技術與關鍵數(shù)值的處理,

7、如凝膠化區(qū)域的離散方法與準則、傳熱邊界條件的選取、凝膠化溫度的選取、等壓比熱容與導熱系數(shù)等熱物理性能參數(shù)的計算和確定、性能計算中流變指數(shù)和指前因子的確定等。自主開發(fā)了明膠冷致物理凝膠化轉變過程的有限元模擬程序。
　　 (5)將數(shù)值模擬結果與相同凝膠化條件下的實驗結果進行了對比,結果表明,兩者的三螺旋轉化率和儲能剪切模量非常相近,驗證了數(shù)值模擬程序的正確性。使用模擬程序,分析了一個內(nèi)含型芯的矩形明膠試樣凝膠化轉變的二維問題,該模型