（高分子化学与物理专业论文）聚乳酸降解的计算机模拟.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 为了从分子水平考察聚乳酸的降解过程，本文使用计算机模拟的方法研究聚 乳酸的降解过程，并与文献报道的实验结果进行了比较。 m 0 n t ec 砌。方法可实现聚合物降解过程的模拟：输入反应参数，程序将按 设定的机理模拟降解反应过程，速度比降解实验快近千倍。在本文的模型里，降 解机理既包括随机断裂方式，也包括末端断裂方式及中间断裂方式。在本文中既 考察了这些断裂方式各自独立的影响，同时也使用模拟退火算法实现多种断裂方 式的最优组合。并单独就分子量对聚乳酸降解的影响进行了讨论：不同分子量的 分子被视为不同的反应物，具有不同的反应速率。将这些反应速率用函数关联起 来，可避免需要处理的方程数爆炸式增长。通过调节关联函数的参数，模型可以 适应不同的降解过程。根据实验结果反衍推得的参数包含降解机理的信息，例如， 在伸直链晶聚乳酸的降解中，其中分子量高的分子有竞争优势，因而降解速率更 快。 本文对两种形态结构比较简单的聚乳酸一无定形的聚乳酸( 结晶度为o ) 和 伸直链晶的聚乳酸进行了详细的研究，在此基础上对既含无定形区又有晶区的聚 乳酸的降解进行了模拟。 采用三种断裂方式单独存在和三者共存的模拟结果显示，对于无定形的聚 乳酸，中间断裂机理是主导机理；对于伸直链晶的聚乳酸，末端断裂机理是主导 机理。 对于既含晶区又含无定形区的聚乳酸，本文以统计学的观点讨论了反应发 生在分子链上的位置。将决定断裂反应发生位置的因素分为：晶区的分布和无定 形区的反应速率。我们根据已有的实验结论和聚乳酸微观结构知识推测：被晶区 包埋得越深的无定形区降解越快。由于对称性，链中间往往是包埋最深的。将中 间断裂机理模拟结果与随机断裂和其他各种断裂位置的机理的模拟结果进行比 较，验证了这一猜想。 关键词：降解聚乳酸计算机模拟m o n t ec 砌。模拟退火 浙江大学硕士学位论文 锄。叩h o u sr e 西o n 锄o n gc r y s t a l l i n er e 百o n sl l a st l l ef 酗t e s td e g 芦a d a t i o nr a t e ，缸dt h e p o s i t i o no nt l l ec t 础1i i lm a tr e 西o nm u s tb et h em i d d l eb e c a u s eo fm es 炉e 时o f p l ac h a i n ，w h i c hw 鹪p r 0 v e db yc o m p a r i n gs i i n u l a t i o nr e s u l t so fd i 仃e r e n ts c i s s i o n p o s t i 0 1 1 s k e y w o r d ：d e 铲a d a t i o np l a s i i n u l a t i o nm o n t ec a r l os a a l 浙江大学硕士学位论文 1 1 。2 聚乳酸的性质 1 1 2 1 物理化学性质 p l a 可表现出2 种最大顺序的结构：全规立构和间规立构。具有全规立体结 构的l p l a 和d p l a 均为热塑性结晶高分子聚合物，结晶度高达4 0 ，但性质 硬而脆，不利于加工。不同比例的d p l a 和l p l a ，或者m e 丙交酯的嵌入，在 一定程度上改变了聚合物的立构规整性，对聚合物性能影响很大。无定形的 d ，l p l a 就是由于d p l a 和l p l a 在p l a 链中随机排列，破坏了结构的规整性， 在结晶性结构中引起缺陷，降低了材料的结晶能力，因而是非晶型的透明材料。 目前出售的p l a 商品一般都是l 乳酸与d 乳酸的共聚物，d 乳酸的含量会影响 p l a 的各种性斛8 9 1 。表l 列举了p l a 一些性质参数【1 0 ，1 。纯d p l a 或l p l a 的 平衡熔融温度约为2 0 7 【1 2 1 ，但通常由于p l a 的晶体小，或是p l a 不够纯，致 使其熔融温度为1 7 0 1 8 0 。1 0 0 结晶p l a 的熔融热为9 3 7 了g b l 表1 1p l a 的物理化学性质【1 0 ，1 1 】 1 1 2 2 力学性能 p l a 的力学性能与其相对分子质量、立构规整性、结晶度等因素有关。表 2 给出了非晶型l 广p l a 、退火处理l 广p l a 和非晶型d ，l p l a 的力学性能1 4 ，1 5 1 。由 表2 可知，立构规整性好的材料强度较高，而退火处理能使材料的拉伸强度和 冲击强度明显提高。 2 浙江大学硕士学位论文 表1 2p l a 的力学性质1 5 】 由表2 可见，p l a 的力学性能与聚乙烯、聚丙烯的相当。由于其具有优良 的降解性和再生性，有望成为石油基非降解型高分子材料的替代品。 1 1 2 3 流变性能 p l a 可采用挤出、注射、纺丝、双轴拉伸、吹膜、压片等方式进行加工。 p l a 的流变学特性尤其是剪切黏度，在热成型加工过程中是很重要的影响因 素。 在单螺杆挤出机中，于1 5 0 、1 7 0 下，分别将非晶型p l a ( d 乳酸与l 乳 酸摩尔比为1 8 8 2 ) 和结晶型p l a 乳酸与l 乳酸摩尔比为5 9 5 ) 挤出。螺杆的长 径比为2 0 1 ，螺杆转速为3 0 ，5 0 ，7 0 ，9 0 ，11 0 ，1 3 0 ，1 5 0r m i n ，根据压力变 化和体积流量计算剪切黏度( h 】) 。熔体剪切黏度是作为树脂种类、温度和剪切 速率( v ) 的函数来考察，在相同加工条件，结晶型p l a 比非晶型p l a 具有更高的 剪切黏度，随着温度的升高二者剪切黏度均下降。表3 为d ，【厂p l a 熔体流变行为 的幂率方程，由于方程中的流动指数均小于1 o o o o ，故d ，l p l ，a 熔体为假塑性 流体【2 0 】。 浙江大学硕士学位论文 表1 3d ，l p l a 熔体流变幂率方程【2 0 l l p l a 熔体剪切黏度随剪切速率的增大而下降，为剪切变稀流体，因此在 加工过程中可通过提高剪切应力来有效地降低其表观黏度。l p l a 熔体的表观 黏度随着温度升高而下降，因此提高温度有利于改善熔体的流动性，当温度为 2 0 5 2 1 5 时，其变化对熔体的流动性影响较大；i 广p l a 的黏流活化能为 1 2 3 k 胁n o l 。在加工过程中表观黏度的变化对温度非常灵敏。特性黏数在升温过 程中有较大幅度地下降，而且温度越高，下降幅度越大，当加工温度达2 2 5 ， 特性黏数比室温时下降了3 9 ，这种大幅度地降低可能是由于i 广p l a 在加工过 程中发生了降解引起的。此外，当温度达到2 1 5 时，l p l a 熔体的流动曲线上 出现了第二牛顿区，这可能是由于该熔体对温度很敏感，温度较高时大分子之 间的缠结点随剪切速率的增加容易解开而达到平衡的缘故。因此在生产中，可 适当提高熔融温度。但同时应注意l p 【，a 熔体在高温下的降解；在纺丝过程中， 要严格控制纺丝温度，避免微小的波动【2 l l 。 1 1 2 5 降解性能 与大部分热塑性聚合物相比，p l a 具有更好的降解性能。p l a 的降解首先 通过主链上的c o 水解，然后在酶的作用下迸一步降解，最终生成无害的水和 二氧化碳。由于具有降解性能，故人们担心其使用寿命。实际上，p l a 的降解 速度相对比较缓和；更为重要的是，p l a 的降解总是在先行水解之后才可能酶 解。依照聚合物的初始相对分子质量、形态、结晶度等，p l a 降解的速度可从 几星期到几个月甚至是1 2 年。但如果与微生物和复合有机废料混合埋入地下， 它的降解速度会加快。因此它是一种理想的生物降解材料，特别适宜于2 3 年的 短期用途【2 2 】。 4 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 聚乳酸的制备 聚乳酸可由多种单体通过不同途径合成：途径一是乳酸的直接聚合，途径 二是乳酸的环状二聚体一一丙交酯的开环聚合( r o p ) 。这两种方法的合成均可 在溶液或本体的条件下进行【8 0 1 。 合成聚乳酸的原料有乳酸单体和丙交酯。乳酸( 1 a c t i ca c i d ) 和丙交酯( 1 a c t i d e ) 都是手性的。直接聚合法以乳酸为单体，乳酸有两个光学异构体：l 乳酸和d 乳酸。间接聚合法的原料为丙交酯，丙交酯有四种异构体【2 8 l ：由两个l 乳酸分 子脱水形成的丙交酯称为l ，l _ 丙交酯( 或简称为i 广丙交酯) ，由两个d 乳酸分予 脱水形成的丙交酯称为d ，d 丙交酯( 或简称为d 丙交酯) ，由一个l 广乳酸分子和 一个d 乳酸分子脱水形成的丙交酯称为内消旋d ，l 丙交酯( 即m e s o d ，l - 丙交 酯，或简称为内消旋丙交酯，熔点4 3 ) ，等量的l 丙交酯( 熔点9 6 ) 和d 一丙 交酯( 熔点9 6 ) 结晶时形成外消旋d ，【广丙交酯( 熔点1 2 8 ) 。对应于以上各种丙 交酯。可以开环制得各种聚合物，由l 丙交酯开环可得p u a 。d ，d 丙交酯开 环可得p d l a ( d 聚乳酸) ，消旋d ，l 丙交酯开环可得消旋p d u a ( d ，l 聚乳酸) 。 如由左旋乳酸聚合得到左旋聚乳酸【2 9 】的合成步骤为：8 0 左旋乳酸水溶液经过 脱水、预聚合、真空裂解，所得产物经3 次重结晶，真空丁燥，制成左旋丙交 酯单体。将精制的丙交酯装入特制聚合瓶中，甲苯溶解，辛酸亚锡作引发剂， 引发剂和单体重量比为1 ：1 0 0 0 一2 0 0 0 。反复抽真空、充高纯氮，真空度1 4 6 3 1 5 9 6 奸a 。密封聚合瓶放入硅油浴中，聚合温度1 1 0 1 2 0 ，时间4 8h 。反应完成后 聚合物在氯仿中溶解，在甲醇中沉淀后至恒定固体。 1 1 3 1 直接聚合法 所谓直接法，即乳酸直接脱水缩合法，即采用乳酸为原料，在高温、高真 空和催化剂存在的条件下直接聚合制各聚乳酸。该法类似于聚酯的缩聚，为使 反应顺利进行并使反应平衡向聚合物生成方向移动，必须尽量脱出副产物小分 子水，反应中微量的水分都可能使产物p l a 相对分子质量大大减少。此外，在 聚合反应后期，聚合物可能会降解生成丙交酯，从而限制p l a 的相对分子质量 的提高。因而，水分的脱出和降解副反应的控制是直接法合成的关键。具体反 5 浙江大学硕士学位论文 应如图1 1 所示： h o c h ( c h 3 ) c o o h 乳酸 脱水缩聚 h o c h ( c h 3 ) c h c o o h + h 2 0 低聚物 催化剂， 共沸回流 h 一( o c h ( c h 3 ) c o ) m h ；= = = = 兰：h 一( o c h ( c h 3 ) c o ) 1 1 】 1 2 0 低聚物 聚乳酸 图1 1 直接聚合法制备聚乳酸 如前所述，直接聚合法有两种实施方法，一种以二苯醚等为溶剂进行溶液 聚合；另一种为本体聚合。 有关溶液聚合方面，据报道，华南理工大学的赵耀明等【3 0 】采用二苯醚作溶 剂，锡粉催化，反应4 0 h 以上，将d ，l 乳酸共沸回流制备了分子量接近4 万的 p d l l a ，并探讨了反应温度、时间、催化剂及溶剂用量等因素对反应产物分子 量的影响。 天津大学【3 1 】的王征等也采用二苯醚作溶剂，以s n c l 2 2 h 2 0 为催化剂，采 用共沸精馏一聚合耦合装置，反应3 0 h ，直接缩合聚合制得低分子量p d u a v 为3 2 0 0 ) 。此外，他们还研究了直接聚合过程中温度、时间、压力等因素 对聚合物分子量的影响，研究表明：延长聚合时间，适当提高反应温度，采用 高真空度可以有效降低体系水分含量，从而提高聚合物分子量。 郑敦胜等3 2 1 以d ，l 乳酸为原料，采用优选催化剂、分步除水、连续通氮气、 高真空缩合等工艺，直接缩聚合成了聚乳酸( p l a ) ，并研究了催化剂的种类( 以 辛酸亚锡、氧化锌、氯化锌、氯化亚锡和硫酸亚锡作为催化剂，分别考察它们 的催化效果) 和用量、聚合温度、聚合时间、体系真空度、聚合工艺等对聚乳酸 摩尔质量的影响。最佳条件为辛酸亚锡催化剂0 5 份，聚合温度1 7 5 ，聚合时 间1 2 h ，真空度3 0 p a 。改进工艺后合成的聚乳酸无氧化、变色现象，产物的粘 均摩尔质量达到2 0 8 0 0g m 0 1 。 w o o 等【3 3 】用己二异氰酯与直接缩聚聚乳酸的羟基缩合，使聚乳酸链增长， 缩合物m w 达到7 60 0 0 ( 图1 2 ) ： 6 浙江大学硕士学位论文 分子量，难以改变端基和共聚：但乳酸来源充足，价格便宜，较开环聚合方法 经济，因而，围绕着聚乳酸的直接聚合的研究方兴未艾，如采用共沸除水与醇 酸缩合反应相结合的方法合成端羟基聚乳酸，对包括关于高真空度、反应速 率、催化剂、工艺路线及溶济等若干改进工业合成方法的讨论【4 7 1 ，对聚乳酸聚 合的新的高效方法“反应挤出法”的探索【4 8 1 ，对直接熔融缩聚的工艺条件的研 烈4 9 】等。 1 1 3 2 开环聚合 一直以来，人们比较关注的还是丙交酯的开环聚合。这种聚合方法较易实 现，且可制得分子量高达7 0 万l0 0 万的p l a 。人们对丙交酯开环聚合的反应 条件作了详尽的研究，这些因素主要包括催化剂浓度、单体纯度、聚合真空度、 聚合温度、聚合时间，其中最主要的是丙交酯的纯化及催化剂的选择， 丙交酯的纯化主要采用重结晶的方法，所用的溶剂一般为乙酸乙酯等。开 环聚合所用的催化剂不同，聚合机理也不同。到现在为止，人们一共提出了三 种丙交酯开环聚合的反应机理：阳离子型开环聚合、阴离子开环聚合、配位开 环聚合。 1 1 3 2 1 阳离子型开环聚合 用于丙交酯开环聚合的阳离子引发剂很多【5 们，主要有质子酸型引发剂如 h c l 、h b r 、r s 0 3 h ，路易斯酸型引发剂如砧c 1 3 、s n c l 4 、s n c l 2 、m n c l 2 等， 烷基化试剂如c f 3 s 0 3 c h 3 等。这些催化剂一般用于丙交酯本体聚合体系，反应 温度较高，其中，s n c l 2 被认为是l l a 开环聚合的高效催化剂，以s n c l 2 为催 化剂，在聚合温度较高的情况下( 1 6 0 ) 得到的聚合物仍保持原来单体的构型， 而不会发生消旋化。 传统的聚合机理认为阳离子先与单体中氧原子作用生成氧翁离了，经单体 开环( 酰氧键断裂) 产生酰基正离子，然后单体再对这个增长中心进攻( 图1 3 ) ： 8 浙江大学硕士学位论文 图1 3 传统的阳离子开环聚合机理 k 0 l l i l 【5 l 】等在研究路易斯酸类引发剂引发丙交酯的r o p 时提朋c 1 3 或s n c l 2 k 五c h e l d o 一3 4 1 认为只有三氟甲基磺酸( t r i n u e 伽：x l i e s u l 蠡痂c i d ) 和三 氟甲基磺酸甲酯( m e 蛳t r i f l a t e ) 是真正的丙交酯r o p 的阳离子引发剂。而其它 引发一种非离子性的络合一插入机理【5 2 】( 图1 4 ) ： 户c 卜c h s 峨一下一嘞h 一玛黼o n + 舣 3 户c h c h s 。一王一遏鼢、叫 s i i x 2 +h o c h c 0 2 h ；= = = ! =x 2 s n ，l n w 1 1 3 2 2 阴离子型开环聚合 用于阴离子型开环聚合的引发剂主要为碱金属化合物，如醇钠、醇钾、丁 9 浙江大学硕士擘位诬安 露疆终冀发机理为；选濡霎豢瞬暨竖翌鐾剿匿曼雾翁! i i i 。 塞i 雪；蓁鬟冀霎薹鋈蓁 珲垩署；薹型期馨燃严冀磁翮嚣| 霎飘豆豆幂i 薹嫦僻衣彘氆研萄琴蓁崖舔缒 翟薹壁；萋蓁藕瓶篓霞塞霎薹；囊蚕i 薹霎篆主兰；差耋蓍塑薹垡圣雾妻霎粪謇 霉羹蓁雾雾雪薹；霎萋萋鍪蚕一雾霎萋薹茎塑；蘸雾l 冀薹霎至；蒿蠢爸煎冀冀攀 三三，j ；_ _ _ j j 警三三三；三三量耋耋；乏专主专乏堇耋霎篓二：三三三 三皇主 耋喜茎萋蓦o o j o i t o 。0 0 0 一o ；量 之_ 二_ j j j j 霎霉= 至三至三差差主至兰毛i 三至= _ | | | | | | 兰垂蚕雩i | | | | ；塞萎 重耋蓁重量鏊譬害三一 主爹喜季至至至至至| | x 浙江大学硕士学位论文 配位聚合的催化剂主要为过渡金属的有机化合物和氧化物，如有机铝催化 剂、锡类化合物、稀土化合物等。过渡金属的有机化合物可分为三类【蚓：1 ) 烷 基( 或芳基) 金属如z r 血2 【5 5 1 ，a 1 e t 3 ，s i l p h 4 ，m g b u 2 ，格氏试剂等。2 ) 烷氧基金 属如砧( o i p r ) 3 ，b u 2 s n ( o m e ) 2 ，a 1 e t 3 ( o e t ) ，z n e t ( o i p r ) ，a 1 ( a c ) 3 ，l i ( o t - b u ) 等。3 ) 羧酸盐如硬酯酸锌，s n ( o c t ) 2 ( t i n 2 e t l l ) ，m e x a n a t c ) ，乳酸锌等。过渡金属氧 化物引发剂包括z n o ，s b 2 0 3 ，p b o ，m g o ，f e 2 0 3 ，等 金属铝可与不同配体形成配位化合物，催化l a 开环聚合得到大分子单体， 进而可制备接枝、星型等结构的共聚物，其反应在一定程度上表现出活性聚合 的特征。 几乎所有的锡盐对丙交酯的开环聚合都具有催化活性，其中辛酸亚锡是目 前应用最多且最有效的催化剂之一。其优点是单体转化率高、催化剂用量少、 可制得高分子量的聚合物。 s p 弱s k y 等【5 6 1 设计了一种手性的铝和西佛碱的络合物引发d ，l 丙交酯的配 位聚合，发现此反应具有高度的立体选择性，得到了含有8 8 的d 型单元的聚 合物。 另一类配位一插入聚合引发剂是镏系元素的化合物。1 9 9 0 年，沈之荃等【5 7 】 首次报导了稀土环烷酸盐 l n ( n 印h ) 3 催化合成聚乳酸，随后出现了一批由稀土 化合物组成的引发剂【5 8 舵1 ，如l n ( o i p r ) 3 ，l 缸a c a c ) 3 ，( m o ) 3 l n ，h l ( c f 3 c o o 均3 。 这类聚合也是活性聚合，分子量分布非常窄。 为了改进p l a 的物理性质和降解速度，人们在配位聚合的基础上，合成 了多种功能基化的p l a 。聒m 等【6 3 】在季戊四醇的存在下，合成了星形聚乳酸( 图 1 7 ) ： 9 h 2 0 h i h o c h 2 一宁一c h 2 0 h c h 2 0 h s n ( o c t ) 2 辜 o i 产c h 2 0 十o _ 显。卞 i ，oj ：、 f - c h 2 0 十c c h _ o 亡h c 琢 - 专 图1 7 多功能基化的聚乳酸 浙江大学硕士学位论文 通过类似的方法，k d c h e l d 0 礴【叫把多种含有羟基的维他命，激素和药物 引入到了聚乳酸的端基。这些为聚乳酸的应用提供了更为广阔的前景。曾有报 道，稀土化合物一三烷基铝一水【6 5 1 的络合催化体系，在甲苯溶液中可使丙交酯 以高转化率聚合，得到可控分子量的聚乳酸。进一步研究发现以钕、钇、锌、 铁、钻、镰的乙酰基丙酮络合物【6 6 】作催化剂就可以催化丙交酯聚合。与上述络 合催化体系相比，可提高聚乳酸的分子量。邓先模等研究了双金属稀土化合物 【6 7 1 、苯基稀土化合物【6 8 1 、有机酸稀土化合物f 6 9 】等对丙交酯的开环聚合，这些催 化剂具有活性高、反应速度快等特点，能制备高分子量聚合物。 1 1 4 聚乳酸的降解 聚乳酸的结构中含有酯键，易水解，这使制品具有良好的降解性能，被废 弃后能迅速降解，最终降解产物为c 0 2 和h 2 0 ，不会污染环境。 1 1 4 1 降解机理 聚乳酸是一种聚酯，其降解可分为简单水解( 酸碱催化) 降解和酶催化水解 降解。从化学角度看，主要有3 种方式降解：( 1 ) 主链降解生成低聚体和单体； ( 2 ) 侧链水解生成可溶性主链高分子；( 3 ) 交链点裂解生成可溶性线性高分子【7 0 l 。 本体侵蚀机理【7 i 】认为聚乳酸降解的主要方式为本体侵蚀，根本原因是聚乳酸分 子链上酯键的水解。聚乳酸类聚合物的端羧基( 由聚合引入及降解产生) 对其水 解起催化作用，随着降解的进行，端羧基量增加，降解速率加快，从而产生自 催化现象r 陀l 。一般而言，聚乳酸制品的内部降解快于表面降解，这归因于具有 端羧基的降解产物滞留于样品内，产生自加速效应【7 3 1 。 聚合物在体内的降解过程称为溶蚀过程，是由不溶于水的固体变成水溶性 物质。溶蚀过程在宏观上是材料整体结构被破坏，体积变小，逐渐变为碎片， 最后完全溶解并被人体吸收或排出体外；微观上是聚合物大分子链发生化学分 解，如分子量变小、交联度降低、分子链断开和侧链断裂等，变为水溶性的小 分子而进入体液，被细胞吞噬并被转化和代谢。聚乳酸作为聚酯类高聚物的一 种，降解时，大分子主链中的酯键被水解断开，水解主要包括吸水、酯键的断 1 2 浙江大学硕士学位论文 裂、可溶性齐聚物的扩散和碎片的溶解等4 个过程7 4 1 ，表现为分子量迅速下降， 失去原有的力学强度。当分子量小到可溶于水的极限值时，整体结构即发生变 形和失重，逐步变为微小的碎片并进入体液最终被细胞吞噬并被转化和代谢。 1 1 4 2 影响降解速度的因素 生物降解性材料从化学结构上分，主要有三类：侧链带有易水解化学基团 的聚合物，水解后生成羟基、羧基等亲水性侧基，这些新的基团使聚合物变得 易溶予水；立体交联固化的水溶性高分子，植入体内后交联基团被水解降解， 还原为水溶性聚合物；主链中含有易水解链段的聚合物，这些链段被水解后， 大分子链断开，降解为溶于水的齐聚物或单体。聚乳酸就是属于第三类聚合物， 它的主链中含有易于水解的酯键，酯键被水解后，大分子链断开，降解为溶于 水的乳酸单体。但由于侧链上带有憎水的甲基，使得聚乳酸的亲水性和降解性 能大大降低。聚乳酸的降解主要分为简单水解降解和酶催化水解降解2 种。 1 1 4 2 1 简单水解降解 单水解降解是水分子攻击酯键形成羧酸和醇的反应，主要受p h 值、结晶 度、立构规整性、聚乳酸分子量及分子量分布、残留金属等因素的影响【加】。 ( 1 ) p h 值酸或碱都能催化p l a 水解，因此介质的p h 值是影响p l a 降解速率的一 个很重要的因素。研究表明【| 7 5 j ，聚乳酸在碱性条件下降解速率 酸性条件下降 解速率 中性条件下降解速率p l l a 。在生理p h 条件下进行水解，随降解的进行 p h 减小，降解速率减小，另一方面，其亲水性增强，这又会导致降解速率增大， 但后者起主要作用，所以p u a 可完全水解。( 2 ) 结晶度：由于结晶区分子链段 堆积紧密，水不容易渗透进去，降解过程总是从无定形区到结晶区。f l l l 【u z 撕r 7 6 】 研究了部分结晶的p l l a 后指出，水先渗入无定型区，导致酯键的断裂，当大 部分无定型区已降解时，才由边缘向结晶区的中心开始降解。在无定型区水解 过程中，生成立构规整的低分子物质，结晶度增大，延缓了进一步水解的进行。 这一性能被用于骨修复和骨内固定材料中调节材料的降解速度以满足人体对 材料的要求。( 3 ) 分子量及分子量的分布：分子量与降解速率成反比，王征【j 7 7 】 浙江大学硕士学位论文 指出，分子量越大，聚合物的结构越紧密，内部的酯键越不容易断裂；而且， 分子量越大，经降解所得的链段越长，不易溶于水中，产生的水和氢正离子越 少，使p h 值下降缓慢，这也是其降解速率比低分子量聚乳酸的低的原因之一。 对于平均分子量相同的聚合物来说，分子量分布越宽，降解速率越快。这是因 为分子量较小的聚合物先分解后，环境p h 值由中性向酸性转变，从而加快了降 解速度。( 4 ) 残留金属及杂质的影响：聚乳酸中残留的金属是引起剧烈热降解效 应的主要原因。d c 锄f 7 8 】研究了残留单体和金属对p u a 热稳定性的影响，以 分子量为7 6 0 0 7 0 0o o o 的含痕量残留金属的p i ，i a 进行研究证实：p l l a 中的低 分子化合物如水、乳酸、丙交酯等在1 5 0 、惰性气体中处理6 0 m i n 即可除去， 不影响聚合物的热稳定性；残留金属是引起p l l a 剧烈降解的主要原因，s n 、 z h 、砧、f e 对p u a 的降解效应依次增大。( 5 ) 立构规整性的影响：在碱性条件 下，降解速率为p d l a ( p l u q p ( l d l ) 讲d l l a ，p d l l a 由于甲基处于问同立 构或无规立构状态，对水的吸收速度较快，因此降解较快；而对p u a 及p d l a 来说水解分为2 个阶段：第一阶段，水分子扩散进入无定型区，然后发生水解； 第二阶段是晶区的水解，相对来说较为缓慢。 1 1 4 2 2 酶降解及微生物降解 脂酶、蛋白酶都能催化聚乳酸降解，聚乳酸在脂酶催化下的降解速率远大 于蛋白酶催化下的降解速率。聚乳酸在蛋白酶中的酸性水解降解速率与结晶度 有关，随水解的进行，结晶度增加，水解速率减小，但无新的结晶形成；对酶 催化条件下的碱性水解，分子量减小与时间成正比，说明分子链的断裂是随意 的。微生物降解试验是一种模拟材料在自然环境中加速降解的试验方法，它定 性地反映了材料的生物降解性能。在定量的加菌以及处于菌种适宜生长的温湿 度条件下，材料降解速度明显加快，而且聚乳酸的结晶度越低，降解速度越快。 1 1 4 2 3p l a 的降解性能的改进 通过与增塑剂( 如柠檬酸酯、低分子量聚乳酸) 、亲水性聚合物( 淀粉等) 共 混，或在主链上引入聚乙二醇亲水链段，侧链上引入亲水基团，可改变聚乳酸 1 4 浙江大学硕士学位论文 的结晶度或亲水性，从而达到控制其降解速度的目的f 7 9 1 。 1 1 5 聚乳酸的应用 近年来，由于大量不可自然分解聚合物生活垃圾和工业废弃物等白色污染的出现，使自然环境严重恶化，因此，寻找像p l a 这样的可降解材料也越来越 引起了人们的重视。p l a 并非一种新的聚合物。早在1 9 3 2 年，美国杜邦公司的 c a r 0 廿1 e r s 已在真空下加热乳酸得到了低相对分子质量乳酸聚合物1 8 1 1 。但由于 憎璺引蟹烈秦琵斟划琴熏磐萋犁薰；骂垒葫篱雏戮甜睇辩；懒划碜缰帮耋 瓯辩囊茗霪蓦享薹哩遭谛= 二l 州憎噬豢萎望j 掣凝测型臻美签基铋蒜墅雾剩县趸活性 高薅毽弼礁阳淬。特点；羹潞酬蓁塔型乌蓁醪孤翔睦霎；蓁蓁蓁蓁鎏蠢蓁薹霎 羹雾蓁羹蒌鬟爹羹蓁饿鋈：囊舅争囊囊戮| 薪采碰餐篇鲶墨霾；蓁錾葡诣舔确蠢躅搿l 铫 鼍耋翌塞撼裂莲! 熙翼鹅望硝0 2 和h 2 0 ，不会污染环境。 1 1 4 1 降解机理 聚乳酸是一种聚酯，其降解可分为简单水解( 酸碱催化) 降解和酶催化水解 降解。从化学角度看，主要有3 种方式降解：( 1 ) 主链降解生成低聚体和单体； ( 2 ) 侧链水解生成可溶性主链高分子；( 3 ) 交链点裂解生成可溶性线性高分子【7 0 l 。 本体侵蚀机理【7 i 】认为聚乳酸降解的主要方式为本体侵蚀，根本原因是聚乳酸分 子链上酯键的水解。聚乳酸类聚合物的端羧基( 由聚合引入及降解产生) 对其水 解起催化作用，随着降解的进行，端羧基量增加，降解速率加快，从而产生自 催化现象r 陀l 。一般而言，聚乳酸制品的内部降解快于表面降解，这归因于具有 端羧基的降解产物滞留于样品内，产生自加速效应【7 3 1 。 聚合物在体内的降解过程称为溶蚀过程，是由不溶于水的固体变成水溶性 物质。溶蚀过程在宏观上是材料整体结构被破坏，体积变小，逐渐变为碎片， 最后完全溶解并被人体吸收或排出体外；微观上是聚合物大分子链发生化学分 解，如分子量变小、交联度降低、分子链断开和侧链断裂等，变为水溶性的小 分子而进入体液，被细胞吞噬并被转化和代谢。聚乳酸作为聚酯类高聚物的一 种，降解时，大分子、酯键的断1 2 x 浙江大学硕士学位论文 的深入研究将会提高p l a 的稳定性，此外，还可以通过与其他单体或聚合物的 共聚改性来改善其性能，从而使其适应更多特殊用途。近年来，由于人们认识 到l 乳酸是人体内正常糖代谢的产物，聚乳酸在人体内具有优良的生物相容 性，并且人体内还含有分解l 广乳酸的酶，从而对p l a 在生物医学工程领域的应 用有了浓厚兴趣。但鉴于p l a 成本较高，目前，其用途主要集中在药物控释、 骨修补材料和手术线等领域，其中，商品化的均聚物及与乙醇酸的共聚物在上 述领域的应用已获( 美国) 食品及药品管理局但d a ) 批准。 1 2 降解的实验研究方法 聚乳酸的降解特性是其获得广泛应用的关键，而分子量分布的变化是降解 的关键。分子量分布主流方法是g p c 1 2 1g p c 简介 g p c ( g e lp 锄e a t i o nc l 啪a t o g r a p h y 凝胶渗透色谱) 利用高分子溶液通 过填充有特种凝胶的柱，在柱上按其分子体积( 流体力学体积) 的大小进行分 离的一种方法【8 3 】，是一种柱上分离方法，原则上任何可溶解的分子，分子量从 2 到1 0 8 的高聚物这一宽广范围内的化合物都可以用g p c 来分离。首先降多孔性 凝胶紧密地装在充满溶剂的色谱柱中，待测定试样的溶液从柱子的顶端引入， 然后用泵以同样的溶剂与一定速度进行淋洗，这样高聚物容也在流经多孔性凝 胶柱子中时，由于不同大小的分子以不同的速度通过柱子，其中分子量最大的 首先被淋洗出，分子量较小的在后面淋洗出来，因而得到按分子的大小分离的 效果。 对g p c 的分离机理，目前的理论有空间体积排斥分离理论，限制扩散分离 理论，流动分离理论，以及构想熵理论等。分离机理尚未彻底解决，但空间排 斥理论比较普遍为人接受。 1 2 2 其他分子量分布测试方法 数均分子量：端基分析法、等温等压蒸馏法、冰点降低法、沸点升高法、 1 6 浙江大学硕士学 蓁薹鍪薹彰降毡匿驻伊裂搿剐i 型蕊蹼蚴；鹱嶝墼鋈薹冀麓氍抹茎彰州叟 阳阱；薹铺醢辐稀醐羹； 薹。冀摧蓁蓁雾雾鋈重垂雾霎 量啪触目硝蚕釜套晋盆豫槛墅牟薹鼗经妇涨菇强萎豫剧稻掣篓掣蘅；篇舫 雾耋蘩臻腹霸訇彗刻羹哥释椭熊i 型 。模拟则能给出任意阶 矩的数值，如 ， ，及其分布p ( s 2 ) ，这至少在原则上是完全可行的。 此外，实验科学家可以改变样品的温度、压力等外部因素，但无法改变体系的 各相互作用势。而在mo n t ec 缸1 0 模拟中则可任意改变体系的相互作用势而并 不造成任何形式的困难。实验化学家们往往通过改变化学反应体系中各组分的 初始浓度和相对配比来研究化学反应的宏观动力学，而这在m o n t ec a n o 模拟中 则可以轻而易举地实现。即便是对实脸中难以达到的某些极限条件，在m o n t e c a r l o 模拟中也无任何困难可言m o n t ec 盯l o 方法与一般实验的最大差别在于： 一般的实验系统是一个“黑箱”，人们只能通过结果的输出来了解实验客体。而 在计算机实验中则完全“透明”，模拟给出的各种微观状态足以描绘出体系的静 态和动态行为m 0 n tec 砌。模拟这种可以在在分子水平上跟踪体系演化的特点， 给人以形象而深刻的物理感受。由于m 0 n t ec 砌。模拟完全依赖于问题的最基本 物理化学定律，以及可以自如控制的各种近似，因此它不仅能提供关于问题的 有关物理量，而且有可能导致某些意想不到的新发现 总之，可以说只有“计算机模拟”才能达到对一个模型体系的精确定义的目 的，也只有“计算机模拟才能真正自如地控制体系的各种内部和外部条作，从 而来考察所感兴趣的困素对模型体系的各种统计性质的影响。因此，m o n t e c 砌e 模拟作为了解自然规律的重要方法将继续受到各学科的科学家的重视 1 3 2 模拟方法对高分子的意义 众所周知，高分子的化学结构有着十分明显的特征：高分子的分子量很大， 一般在1 0 4 1 0 6 之间；高分子一般由一种或多种单体单元序贯连接而成。因此， 高分子系综内各个成员之间存在着与其生成机理( 合成反应的机理和具体的合 成方法) 密切相关的特定分布【1 0 5 ，1 吲。这里所指的分布包括链长( 分子量) 分布， 浙江大学硕士学位论文 从物理角度来看，化学反应过程具有如下主要特征： ( 1 )化学反应中分子数的变化只能是以整数量： ( 2 )化学反应是一随机过程。 因此，就高分子化学问题而言，合成高分子的链长( 所含单体单元数) 也应是 一个离散的整数量。由于聚合反应的随机性特点，高分子链长有一与其反应机 理直接相关的分布，正是由于高分子合成反应中的种种随机特征，在研究高分 子反应问题是，m o n t ec 砌。方法是一个有力的工具 虽然，高分子反应的统计理论已发展得相当完善【1 0 5 1 ，但复杂的高分子反 应体系中仍有众多的问题无法采用解析理论方法来处理。其次，在解析理论处 理中也或多或少地包含着某些不知可否的简化和假定。而m o n t ec 砌。方法则不 仅可以考察这些假定的合理性，而且可以提供化学反应过程的详尽描述。 1 3 3 关于降解的模拟研究进展 9 0 年代处，降解模型建立在随机断裂假设上，每个键都以同样的概率发生 断裂反应。精确的数学模型解法要求有单分散的初始分布。k l 妇【1 0 7 】和 f r e l l d e n b e 唱【m 8 l 等完成了这些分析的基础工作。他们使用基础的统计知识来计 算纤维素水解时n _ 聚体的浓度。e k e 璐t a m l l 嗍发展了他们的工作，通过d p 的变 化来计算降解速率。他假设了一个随机的，一级断裂的动力学机理，得到d p 倒数和时间的关系。这个关系通常被用在反向推导中，即线性的图线暗示一个 随机断裂机理。后来m a r k 和s i m h a 【1 1 0 】设计了降解中分子量图线模型。他们使用 两个可变的参数，描述分布和检验他们对醋酸纤维素水解的预测。所有这些的 基础是：降解是完全随机的过程。但e k e i l s t 锄关系并不总是线性的。 g u a i 讨1 1 1 1 ，p l 批n 锄【1 1 2 1 ，s c l l i i c h l l l 【1 1 3 1 ，l ，u t s y a l 【1 1 4 1 等报道了降解的计算 机模型。他们发现分子量分布指数有不同的变化趋势，取决于断裂方式是随机 的还是系统的( 有规律的) 。如果降解是随机的，分子量分布指数不会变。然 而，分子量分布指数会变小，如果断裂倾向予在中间；变大如果断裂倾向于在 两端。v i e b k e 的工作表明：如果断裂倾向于长链，那么峰向低分子量部分移动。 a m e m s l e y 和r j h e y w o o d 【5 j 研究了随机断裂和系统断裂，发现完全的随 机断裂不能显著的改变分子量分布曲线上峰的位置或产生新峰。改变峰位置， 浙江大学硕士学位论文 算，更有助于揭示乳酸类高分子的降解机理，从而有助于对材料的使用性能进 行预测。该方向还将使高分子科学家可以从分子设计的源头进行新型生物降解 材料的设计和制备，计算机模拟在拓展计算机科学在高分子科学中应用的同 时，将极大地丰富高分子科学研究的手段和空间。 浙江大学硕士学位论文 们所讨论的对象不是“反应速率”，而是“反应概率”。设想我们有一简单的双分 子反应， a b c ( 2 2 ) 则由分子碰撞理论我们可以定义耳a b 为单位时间内分子a 和b 因碰撞而发 生化学反应的概率。这意味着在体积v 中，均匀混合的x a 个a 分子和x b 个b 分 子在t 时刻内因碰撞而发生反应的概率为， b x a x b t ( 2 3 ) 事实上，7 沁可以看作是微观反应速率常数，因此其必定与确定性速率方 程中的反应动力学速率常数k a b 有着十分密切的关系，而且其应是宏观确定性 速率方程的微观基础，对于由式( 2 2 ) 所描述的化学反应，我们有 k a b = 7 l 忸v ( x a x b ) ( 2 4 ) 这里 表示系综平均然而，在宏观动力学的确定性描述中，乘积 平均值和平均值的乘积没有区别，即 ；则式( 2 4 ) 可简化 为， k a b 珈v( 2 5 ) 这里出现了体积v 这个因子，显然是因为在宏观确定性描述中所采用的是 分子浓度( 单位体积中的分子数) 。而在微观描述中则采用了体系的分子总数。 式( 2 5 ) 也可从两种表示的比较中直接获得，即当采用分子总数表示时，厶t 时间 间隔中x a 分子数的改变为， “呵咖x a x b t ( 2 6 ) 将式( 2 6 ) 两边除v 即可得浓度麦示， c a 习c 柚c a c b t ( 2 7 ) 比较式( 2 ，6 ) 和( 2 7 ) 即可得式( 2 5 ) 的结果当宏观实验中采用摩尔浓度表示 时，则有 c a 】= 7 妇也【c a 】 c b 】t( 2 8 ) 此时，实验速率常致k a b 与微观速率常数尢a b 的关系为， k a b = 7 沁 ( 2 9 ) 这里n 。为a v o g a d r 0 常数。 当反应在相同分子间进行时，可区分的碰撞分子对不再是x a x a ，而是 浙江大学硕士学位论文 笔丢_ ( 2 1 0 ) 212 44 、7 因此，对于这种情况，式( 2 5 ) 应改写为 丢v ( 2 1 1 ) 上述讨论并推而广之，对于不同级的反应我们有， 一级反应k a 砒 二级反应 k a b = 7 c a b v ；去v ( 2 1 2 ) 三级反应k a b m c v 2 ； 去从v 2 由此可见，从表面上看k 和7 【的差别只是一个固定的常数，但其反映了确定 性宏观描述和微观随机描述在概念上的差别。而且也为m o n t ec a r l o 模拟结果与 真正的实验结果的相互比较提供了依据。 2 1 1 2 主导方程 化学反应体系时间演化的随机描述可采用所谓体系的“主导方程。化学 反应动力学的主导方程描述的核心是“巨概率函数”( g 跚mp 玎0 b a b l i l 时f i l = n c t i o n ) 其定义为， p ( x l ，x 2 ，x n ；垆在时刻t ，体积v 中，体系的状态( 各分子数) 为 ( x 1 ，x 2 ，x n ) 的概率( 2 1 3 ) 而所谓的主导方程即为p ( x l ，x 2 ，x n ；t ) 的时间演化方程。设体系中 n 种分子间可发生m 种类型的化学反应，则体系在什t 时刻的状态为( x l ，x 2 ， x n ) 的概率可记为， mm p ( x 。，x 2 ， x n ；m 蛳p ( x 1 ，x ：，x n ；分p ( x l ，) ( ：，x n ；t ) & + 吃出 p = l土1 ( 2 1 4 ) 这里，a 必t 为当体系处在状态( x l ，x 2 ，x n ) 时在t 间内发生第价反应的 概率，例如对于式( 2 2 ) 的反应，c 【p 可记为， 0 【i l _ t = 兀a b x a x b t( 2 15 ) 而b i l 则表示体系的某种状态只要经过第1 1 个化学反应即可使其转化为状态( x l ， 浙江大学硕士学位论文 x 2 ，x n ) 的概率。因此，式( 2 1 4 ) 的意义是十分明确的，即体系在t 十t 时 刻处在状态( x 1 ，x 2 ，x n ) 的概率由三部分组成：( 1 ) 式( 2 1 4 ) 右边的第一项 表示在t 时刻体系己经处在状态( x l ，x 2 ，x n ) 的概率。( 2 ) 右边第二项则表 示体系在t 时间间隔内经第价反应( 1 ，2 ，m ) 而离开状态( x l ，x 2 ， x n ) 的概率；( 3 ) 体系由其他状态在时间t 间隔内经反应以l ，2 ，m ) 而进 入状态( ( x l ，x 2 ，x n ) 的概率。由式( 2 1 4 ) 即可导得主导方程， l i m ! 竖! ：茎2 = ：姿丝茎箜二! 坚! 茎2 = ：姿丛i 垒 ，“乙 ( 2 1 6 ) 盎 m 、。1 0 ，r = 昙p ( x ，x ：，x n ；t ) = 【以一p ( x 。，x ：， x n ；t ) 】 v ，；l 显然，主导方程对化学反应动力学的描述更符合实际。主导方程的解p ( x l ， x 2 ，x n ) 不是一个简单函数，而是一个概率分布。然而，稍复杂的化学反应 体系的主导方程无法获得解析解，而且对于一般的数值解法也不十分有用。重 要的是它提供了化学反应动力学m o n t ec a r l o 算法的理论基础，或者可称某为主 导方程的m o m ec a r l o 解法。 2 1 1 3 反应概率密度函数 在t 时刻，当体系处在状态p ( x l ，x 2 ，x n ) ，而在t 时刻以后体系将经特 定的化学反应而发生改变( 演化) 。这祥，我们必须首先回答两个问题 ( 1 ) 下一个反应将在何时发生? ( 2 ) 下一个反应是哪种类型的反应? 为了回答上述问题我们需引入“反应概率密度函数”( r e a c t i o np r o b a b i l 时d 饥s i t y 缸l c t i o 砷，p o ，d ，其定义为： p o ， 1 ) 三体系t 时刻状态为( x l ，x 2 ，x n ) ，在体积v 中下一个反应发生在 m 什什t 时间间隔内，而且该反应为第肛个反应的