聚丙烯和聚乙烯醇相变过程中的结构和稳定性的分子动力学模拟研究

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众所周知,获得的新药常常不溶于水,导致其在体内较低的药物生物利用率。如何提高难溶药物的溶解度是一个亟待解决的问题。1961年,Sekiguchi和Obi开发了固体分散技术,能够改善药物的稳定性、溶解度和生物利用率。近年来,聚合物常用来作为药物固体分散剂。尽管许多研究学者在实验和理论上研究了药物固体分散体,但药物固体分散剂如何将晶型药物转化为无定形药物和如何稳定药物仍不清楚。而研究聚合物的结构和稳定性有助于揭示药物固体分散体的稳定机理。另一方面,由于聚合物结构的复杂性,聚合物的结构和物理性质研究是极具有挑战性的工作。在分子水平上,分子动力学模拟是解决上述问题的强有力工具。该论文是基于加热和冷却过程中的分子动力学模拟,介绍了聚丙烯和聚乙烯醇加热和冷却过程中的结构、热力学和动力学行为。该研究工作有利于对不同物相聚合物稳定性的深入理解。  本论文主要贡献描述如下:  (1)我们利用MD模拟研究了不同链长的聚丙烯在相变过程中的结构稳定性、热力学和动力学行为。模拟过程中采用全原子力场(OPLS)描述成键相互作用,原子-原子间的非键相互作用使用Lennard-Jones势函数描述。全局取向有序参数P2、键长分布、键角分布、二面角分布和末端距离分布研究揭示了聚丙烯的结构和性质特征,模拟结果所得到的玻璃化转变温度Tg与其体系聚合度N(相对分子质量Mw)的关系成正相关,这与Fox等人(Ellis关系式)提出的理论是一致的,并且与聚丙烯外延实验值几乎呈线性关系。重要的是,热力学和动力学结果揭示了PP1000-PP3000的无定形态比其晶态更稳定,这是较大的构型熵和相对较小的分子迁移率共同作用的结果。另外,因为PP4000在Tg以下具有相对较大的黏度值,所以导致它的构型熵相比于PP3000要小得多。这项研究有助于更好地理解其它潜在的固体分散剂的结构和性质。  (2)我们采用了分子动力学模拟的方法研究了聚乙烯醇的熔化和无定形化过程。模拟过程中同样采用全原子力场(OPLS)描述成键相互作用,采用Lennard-Jones势函数描述原子-原子间的非键相互作用。通过分析体系的键长分布、键角分布、二面角分布及全局取向有序参数充分揭示了聚乙烯醇的结构特征,获得了聚乙烯醇的熔点、玻璃化转变温度、扩散系数、分子迁移率、黏度等重要的热力学和动力学数据。从比体积与温度的关系获得了各体系玻璃化转变温度Tg,各体系的玻璃化转变温度随着聚合度的变化同样与Fox等人提出的理论(Ellis关系式)吻合较好。在给定温度下,体系链越长,分子迁移率越小,黏度越大。另外,黏度值在玻璃化转变温度Tg以上基本保持常数,而在玻璃化转变温度Tg以下,无定形体系的黏度值是随着温度的升高而降低的,该结果与预测结果一致。
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