淀粉生物降解材料的分子模拟与制备研究

发布时间：2017-08-16 05:13

  本文关键词：淀粉生物降解材料的分子模拟与制备研究

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【摘要】：传统塑料以石油裂解产物为基础制备而成,但是由于不可降解性和添加剂的毒害性引发了一系列的环境问题。淀粉具有价格低、易降解等特性且可再生材料,被认为是最具发展潜力的天然可降解材料之一。淀粉是由葡萄糖单元构成的天然生物高分子聚合物,分子内和分子间存在很强的氢键作用,导致天然淀粉的玻璃化温度高于其分解温度,使其加工困难,为了增强淀粉可加工性,就必须要破坏淀粉中强烈的氢键作用,使其能在较低温度下塑化,得到热塑性淀粉。目前的研究淀粉的塑化的测试方法主要是红外测试等,认为淀粉塑化机理是由于塑化剂渗入到淀粉分子链间,使得淀粉分子链间的距离增大,从而削弱它们之间的氢键作用,屏蔽了淀粉分子和分子内的氢键作用,淀粉分子链的运动更加自由,致使淀粉加工温度降低。但此类研究方法仅从宏观上对塑化这一现象进行了解释和推断,并不能给出体系中不同分子间的氢键能作用的大小,缺少必要的理论支持。分子模拟的方法,能够计算体系中各个分子间的键能以及不同温度条件下构象,可微观角度阐释分子氢键作用和淀粉塑化机理,因此采用分子模拟的方法进行深入的研究十分必要。本论文利用量子力学的方法模拟研究了以下内容:(1)淀粉分子链模型中葡萄糖淀粉单元的数目对分子链的构象、电荷的分布和傅里叶红外光谱的影响;(2)水、甘油、二羟甲基脲和二乙烯三酰胺不同类型塑化剂与淀粉分子链的氢键作用大小。利用分子动力学的方法模拟计算甘油作为塑化剂时,温度不同、含量不同时,甘油/淀粉模型的氢键能作用变化规律,并与实验制备热塑性淀粉材料的力学性能、结晶度、透光率和吸水性等性质性能进行了对比分析,探讨淀粉塑化机理。计算结果表明,随着模型中淀粉葡萄糖单元数的增加单元,单元中相同位置上原子的电荷数都不改变正负,但其大小不断变化,同时淀粉链构象不断变化,最终稳定在螺旋结构上;塑化剂能够破坏淀粉的螺旋结构,同时其构象也在改变;塑化剂如能与淀粉产生较强氢键作用而分子间氢键作用较弱,则其塑化材料的强度和断裂伸长率较高;温度的降低和甘油含量的增加,都会使得甘油/淀粉体系氢键能增加,但其作用机理不同;通过分子动力学结果分析可以得出制备甘油/淀粉生物降解材料塑化剂的最佳用量,但分子动力学方法对最佳温度的预测欠佳。
【关键词】：塑化淀粉 氢键 分子模拟 量子力学 分子动力学
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O636.12
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10-11
• 1.2 淀粉的结构与特性11-13
• 1.2.1 淀粉的结构11
• 1.2.2 淀粉颗粒11-12
• 1.2.3 淀粉的晶型12-13
• 1.3 淀粉的塑化13-15
• 1.3.1 淀粉的塑化机理14-15
• 1.4 分子模拟简介15-18
• 1.4.1 量子力学方法15-16
• 1.4.2 分子力学方法16-17
• 1.4.2.1 分子力场17
• 1.4.3 分子动力学方法17-18
• 1.4.4 蒙特卡洛法18
• 1.5 分子模拟的不同尺度18
• 1.6 本课题的研究目的和内容18-20
• 第二章 量子力学模拟葡萄糖单元数目对淀粉的影响20-29
• 2.1 前言20-21
• 2.2 模拟方法及参数设置21
• 2.2.1 淀粉分子链模型及塑化剂分子模型的构建21
• 2.2.2 不同单元数淀粉模型的量子力学计算方法21
• 2.3 结果与分析21-27
• 2.3.1 不同单元数淀粉分子的构象21-23
• 2.3.2 不同单元数的淀粉分子的电荷分布23-26
• 2.3.3 不同单元数的淀粉分子的模拟红外光谱26-27
• 2.4 本章小结27-29
• 第三章 不同类型塑化剂淀粉材料的制备与量子力学模拟29-42
• 3.1 前言29
• 3.2 实验原料及制备方法29-32
• 3.2.1 实验材料29-30
• 3.2.2 实验仪器及设备30
• 3.2.3 热塑性淀粉薄膜材料的制备30-31
• 3.2.4 红外光谱测试方法31
• 3.2.5 力学性能测试方法31
• 3.2.6 塑化剂/4 单元淀粉分子链模型的量子力学计算31-32
• 3.3 结果与分析32-40
• 3.3.1 塑化剂与淀粉分子链的相互作用对结构的影响32-34
• 3.3.2 不同类型塑化剂对淀粉链能量的影响34-35
• 3.3.3 水和不同单元数淀粉分子间的氢键能35
• 3.3.4 不同类型塑化剂与4单元淀粉相互间氢键能35-36
• 3.3.5 相同类型塑化剂小分子间的氢键能36-38
• 3.3.6 不同类型塑化剂塑化淀粉材料的红外光谱38-39
• 3.3.7 不同类型塑化剂制备的塑化淀粉材料的力学性能39-40
• 3.4 本章小结40-42
• 第四章 甘油/淀粉材料的分子动力学模拟和制备42-60
• 4.1 引言42-43
• 4.2 甘油/淀粉材料的制备43-45
• 4.2.1 实验材料43
• 4.2.2 实验仪器及设备43
• 4.2.3 甘油/热塑性淀粉薄膜材料的制备43-44
• 4.2.4 力学性能测试44
• 4.2.5 XRD-射线衍射测试与结晶度的计算44
• 4.2.6 薄膜材料透光率测试44
• 4.2.7 不同湿度条件下吸水性测试44-45
• 4.3 分子动力学模拟的参数和模型构建45-49
• 4.3.1 甘油分子模型的构建45
• 4.3.2 淀粉分子链模型的构建45-46
• 4.3.3 无定型甘油/淀粉模型的构建46-47
• 4.3.4 甘油/淀粉模型的分子动力学计算方法47-48
• 4.3.5 体系平衡的判别48
• 4.3.6 氢键能的统计48-49
• 4.4 结果与分析49-58
• 4.4.1 甘油/淀粉体系模型中的氢键能49-50
• 4.4.2 反应温度、甘油塑化剂含量对模型氢键能的影响50-52
• 4.4.3 反应温度、甘油塑化剂含量对材料结晶的影响52-54
• 4.4.4 反应温度、甘油塑化剂含量对材料力学性能的影响54-56
• 4.4.5 反应温度、甘油塑化剂含量对材料吸水率的影响56-58
• 4.4.6 反应温度、甘油塑化剂含量对材料透光率的影响58
• 4.5 本章小结58-60
• 第五章 总结60-62
• 参考文献62-67
• 致谢67-68
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文68

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本文编号：681590