论文摘要
近年来,一类基于天然可再生资源的生物降解高分子材料一乳酸类聚合物为源于石油资源的高分子材料所带来的环境问题提供了意义深远的解决方案。尽管高分子研究者对在自然环境中可完全降解的高分子材料进行了深入的研究,但是由于材料的降解过程是一个缓慢而复杂的化学过程,仅采用传统的高分子领域的实验方法,往往事倍功半,甚至难以接触到有关科学问题的核心。而在分子水平上直观地跟踪高分子动态降解过程,更是异想天开。现代计算机科学技术在日益改变着人们的生活方式,也对其它科学领域的研究产生了非常深刻的影响。把计算机科学技术与高分子科学技术有效结合,有可能建立起跨学科的研究方法,开拓新的研究领域。因此,我们设想以高分子科学实验的结果为基础,构建出描述乳酸类可生物降解高分子动态降解过程的计算机模拟平台。用计算机科学的方法描述生物降解高分子动态降解过程切入点的选择是开展本文研究的关键。我们认为从高分子聚合物的分子量变化特点进行研究是较佳的选择。因为高分子区别于小分子化合物的最大特征是高分子的分子量通常都很大,而且是分子量（可看作分子链长短）不等的同系物的集合。即高分子的分子量不是一个精确值,而是一个平均值。高分子的降解过程就是高分子的平均分子量减小和分子量分布变化的动态过程,而这种平均分子量及其分布的变化与分子链的结构和降解机理密切相关。因此,采用特定的分布函数（或通过降解实验）来描述高分子链的长度分布,通过对每个影响高分子链断裂因素的参数化,构建出高分子动态降解的高维参数化统计模型。将高分子的降解过程看作为一个离散事件,求解时,在兼顾采样数据的存贮和重建精度,以及计算效率的前提下,通过对高分子降解实验得到的统计分布函数进行反演,得出各个降解参数,并在此基础上构建描述乳酸类高分子动态降解过程的计算机仿真模拟平台。本文通过以聚乳酸水解作为高分子链的断裂模型,使用了Monte Carlo化学反应动力学模型,描述高分子链在水解过程的变化。获得了分子链长对降解反应的影响。不同于实验研究,本文讨论的是在同一个反应体系中,发生断裂反应的长链和短链之间的竞争关系。这是很难从化学实验研究中获得的。得知在无定形聚乳酸水解过程中,长链分子的反应概率与短链分子的反应概率的比值等于他们的分子量比值的0.4次方。即长链分子更容易发生降解反应。在片晶型聚乳酸的水解过程,这个幂指数是一个与时间有关的变量。随着降解的进行,幂指数从1缩小到0.7。同时,在降解反应中,长链仍比短链更容易发生降解反应。本文还尝试了模拟结晶型聚乳酸的水解过程。本文还研究了解降解反应动力学方程的方法,模拟了高分子链断裂的过程。使用切线法解反应动力学方程的积分-微分方程,获得了一个非常普适的断裂反应动力学的主导方程。此方程可以用于任意的初始分子量分布,适用于多种复杂的降解动力学过程。而且与实验得到的分子量分布曲线结果有很密切的关系,即使降解产物的分子量非常低,也能进行精确的模拟。