聚乳酸水解過(guò)程的模擬及分子鏈斷裂機(jī)理的研究.pdf

1、近年來(lái)，一類基于天然可再生資源的生物降解高分子材料—乳酸類聚合物為源于石油資源的高分子材料所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題提供了意義深遠(yuǎn)的解決方案。盡管高分子研究者對(duì)在自然環(huán)境中可完全降解的高分子材料進(jìn)行了深入的研究，但是由于材料的降解過(guò)程是一個(gè)緩慢而復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，僅采用傳統(tǒng)的高分子領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)方法，往往事倍功半，甚至難以接觸到有關(guān)科學(xué)問(wèn)題的核心。而在分子水平上直觀地跟蹤高分子動(dòng)態(tài)降解過(guò)程，更是異想天開(kāi)。
　　現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)在日益改變著人們的

2、生活方式，也對(duì)其它科學(xué)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了非常深刻的影響。把計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與高分子科學(xué)技術(shù)有效結(jié)合，有可能建立起跨學(xué)科的研究方法，開(kāi)拓新的研究領(lǐng)域。因此，我們?cè)O(shè)想以高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為基礎(chǔ)，構(gòu)建出描述乳酸類可生物降解高分子動(dòng)態(tài)降解過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬平臺(tái)。
　　用計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法描述生物降解高分子動(dòng)態(tài)降解過(guò)程切入點(diǎn)的選擇是開(kāi)展本文研究的關(guān)鍵。我們認(rèn)為從高分子聚合物的分子量變化特點(diǎn)進(jìn)行研究是較佳的選擇。因?yàn)楦叻肿訁^(qū)別于小分子化合物的最大特

3、征是高分子的分子量通常都很大，而且是分子量（可看作分子鏈長(zhǎng)短）不等的同系物的集合。即高分子的分子量不是一個(gè)精確值，而是一個(gè)平均值。高分子的降解過(guò)程就是高分子的平均分子量減小和分子量分布變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而這種平均分子量及其分布的變化與分子鏈的結(jié)構(gòu)和降解機(jī)理密切相關(guān)。
　　因此，采用特定的分布函數(shù)（或通過(guò)降解實(shí)驗(yàn)）來(lái)描述高分子鏈的長(zhǎng)度分布，通過(guò)對(duì)每個(gè)影響高分子鏈斷裂因素的參數(shù)化，構(gòu)建出高分子動(dòng)態(tài)降解的高維參數(shù)化統(tǒng)計(jì)模型。將高分子的降解

4、過(guò)程看作為一個(gè)離散事件，求解時(shí)，在兼顧采樣數(shù)據(jù)的存貯和重建精度，以及計(jì)算效率的前提下，通過(guò)對(duì)高分子降解實(shí)驗(yàn)得到的統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)進(jìn)行反演，得出各個(gè)降解參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建描述乳酸類高分子動(dòng)態(tài)降解過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真模擬平臺(tái)。
　　本文通過(guò)以聚乳酸水解作為高分子鏈的斷裂模型，使用了Monte Carlo化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，描述高分子鏈在水解過(guò)程的變化。獲得了分子鏈長(zhǎng)對(duì)降解反應(yīng)的影響。不同于實(shí)驗(yàn)研究，本文討論的是在同一個(gè)反應(yīng)體系中，發(fā)生斷裂

5、反應(yīng)的長(zhǎng)鏈和短鏈之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。這是很難從化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中獲得的。得知在無(wú)定形聚乳酸水解過(guò)程中，長(zhǎng)鏈分子的反應(yīng)概率與短鏈分子的反應(yīng)概率的比值等于他們的分子量比值的0.4次方。即長(zhǎng)鏈分子更容易發(fā)生降解反應(yīng)。在片晶型聚乳酸的水解過(guò)程，這個(gè)冪指數(shù)是一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的變量。隨著降解的進(jìn)行，冪指數(shù)從1縮小到0.7。同時(shí)，在降解反應(yīng)中，長(zhǎng)鏈仍比短鏈更容易發(fā)生降解反應(yīng)。本文還嘗試了模擬結(jié)晶型聚乳酸的水解過(guò)程。
　　本文還研究了解降解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的