聚乳酸水解過程的模擬及分子鏈斷裂機理的研究.pdf

1、近年來，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的環(huán)境問題提供了意義深遠的解決方案。盡管高分子研究者對在自然環(huán)境中可完全降解的高分子材料進行了深入的研究，但是由于材料的降解過程是一個緩慢而復(fù)雜的化學過程，僅采用傳統(tǒng)的高分子領(lǐng)域的實驗方法，往往事倍功半，甚至難以接觸到有關(guān)科學問題的核心。而在分子水平上直觀地跟蹤高分子動態(tài)降解過程，更是異想天開。
　　現(xiàn)代計算機科學技術(shù)在日益改變著人們的

2、生活方式，也對其它科學領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了非常深刻的影響。把計算機科學技術(shù)與高分子科學技術(shù)有效結(jié)合，有可能建立起跨學科的研究方法，開拓新的研究領(lǐng)域。因此，我們設(shè)想以高分子科學實驗的結(jié)果為基礎(chǔ)，構(gòu)建出描述乳酸類可生物降解高分子動態(tài)降解過程的計算機模擬平臺。
　　用計算機科學的方法描述生物降解高分子動態(tài)降解過程切入點的選擇是開展本文研究的關(guān)鍵。我們認為從高分子聚合物的分子量變化特點進行研究是較佳的選擇。因為高分子區(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（可看作分子鏈長短）不等的同系物的集合。即高分子的分子量不是一個精確值，而是一個平均值。高分子的降解過程就是高分子的平均分子量減小和分子量分布變化的動態(tài)過程，而這種平均分子量及其分布的變化與分子鏈的結(jié)構(gòu)和降解機理密切相關(guān)。
　　因此，采用特定的分布函數(shù)（或通過降解實驗）來描述高分子鏈的長度分布，通過對每個影響高分子鏈斷裂因素的參數(shù)化，構(gòu)建出高分子動態(tài)降解的高維參數(shù)化統(tǒng)計模型。將高分子的降解

4、過程看作為一個離散事件，求解時，在兼顧采樣數(shù)據(jù)的存貯和重建精度，以及計算效率的前提下，通過對高分子降解實驗得到的統(tǒng)計分布函數(shù)進行反演，得出各個降解參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建描述乳酸類高分子動態(tài)降解過程的計算機仿真模擬平臺。
　　本文通過以聚乳酸水解作為高分子鏈的斷裂模型，使用了Monte Carlo化學反應(yīng)動力學模型，描述高分子鏈在水解過程的變化。獲得了分子鏈長對降解反應(yīng)的影響。不同于實驗研究，本文討論的是在同一個反應(yīng)體系中，發(fā)生斷裂

5、反應(yīng)的長鏈和短鏈之間的競爭關(guān)系。這是很難從化學實驗研究中獲得的。得知在無定形聚乳酸水解過程中，長鏈分子的反應(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程，這個冪指數(shù)是一個與時間有關(guān)的變量。隨著降解的進行，冪指數(shù)從1縮小到0.7。同時，在降解反應(yīng)中，長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程。
　　本文還研究了解降解反應(yīng)動力學方程的