两性离子基弹性体的计算研究和TiO2一体化两性离子聚氨酯复合材料的制备
含两性离子的聚氨酯(ZPU)弹性体由于其简单的合成，易于处理和良好的防污性能而在生物材料的开发中引起了极大的关注。ZPU的主要好处是可以通过控制和更改PU中硬段和软段的配方含量来轻松控制其物理和化学性质。两性离子基材料的其他显着特征包括其特定的形态，正负两个区域的存在以及主链与两性离子之间存在取代基，这使它们具有极强的通用性。过去，已经有效地开发了各种计算技术，例如分子动力学(MD)模拟和密度泛函理论(DFT)，以及实验研究，以分析基于两性离子的材料。当前，具有季铵基团（两性离子）的PU表面的生长正在激烈竞争，但是，ZPU不能完全用作坚固的工程材料来抵抗室外应用的恶劣气候条件。 在这方面，通过MD模拟分析了掺入柔性聚合物链中的物理交联的两性离子部分的增韧机理，将金红石型TiO2纳米颗粒整合到ZPU弹性体中以增加光稳定性，并研究了DPU对ZPU的段间氢键相互作用的影响。本论文共分四章。 第一章包括对ZPU的详细描述，包括其历史观点，一般制备路线，不同的两性离子体系，不同类型的ZPU，ZPU的MD模拟，其对TiO2纳米粒子的光降解和光稳定作用。 在第二章中，使用粗粒分子动力学模拟(CGMD)研究了由两性离子单体和完全弹性的弹性体基质组成的物理交联体系的热机械行为。在本研究中，有效的Lennard-Jones关系已应用于两性离子交联剂(ZCL)的珠-弹簧网络中。研究了末端连接位点的吸引力相互作用强度(ε)，ZCL链长及其功能性对热机械性能的影响。创建了一个具有恒定分子质量和多个功能位点的动态ZCL功能的特定网络，并观察到机械强度随功能位点的增加而增加，如键取向曲线所示。对于ZCL的链长，我们观察到较短的链长具有更高的强度和更高的玻璃化转变温度（Tg）。此外，ZCL的(ε)增加，模量响应和链的取向增强，并且Tg增加。最后，使用标准的三轴变形研究了ZCL不同功能部位对采收机理和压裂活性的影响。通过视觉分子动力学（VMD）研究，恢复和变形过程的发现证实了反应位点甚至在物理系统中的连接，并且在连接的端基之间发现了强大的吸引力相互作用。此外，我们希望我们的研究可以为高性能两性离子含弹性体材料的合理设计和研究提供一些建议。 第三章讨论了两性离子聚氨酯(ZPU)的成功合成和各种TiO2/ZPU纳米复合材料的制备，目的是提高ZPU的保质期，并形成用于食品包装的有效薄膜。根据热学和机械学发现，经拉伸试验和形态分析证明，4％TiO2/ZPU试样性能最佳。光谱分析表明，钛(TiO2)纳米粒子可以提高UV区的吸收率和可见区的反射率，从而降低光老化能力并延长材料的使用寿命。此外，在紫外线照射5小时后，扫描电子显微镜(SEM)观察证明了TiO2/ZPU复合膜的光稳定性。此外，TiO2纳米颗粒将ZPU的抗氧化性能从51％提高到71％。TiO2/ZPU的抗菌活性表明它抑制了大肠杆菌菌株的细菌生长，表明它适用于食品包装应用。此外，番茄果实表面的视觉图案用于监测食品的保鲜能力。通常，我们期望TiO2/ZPU复合膜具有所有预期的用作光稳定食品包装材料的特性。第四章授予聚氨酯(PU)之间的段间相互作用（氢键和离子相互作用），两性离子包含的聚氨酯(ZPU)作为两个硬链段(HS)模型和基于聚（ε-己内酯）(PCL)的一个软链段(SS)通过在B3LYP级别采用标准密度泛函理论(DFT)技术进行建模。在研究硬段(HS)和软段(SS)之间的相互作用之前，将其结构优化为最小能量。PU(4.867eV)和ZPU(5.403eV)的小能隙(△E)值意味着它们比PCL更具反应性。分子静电势(MEP)分析证实，阳离子和阴离子部分与完整的电子密度表面相对应。Mulliken电荷分析表明，ZPU模型中的电荷变化(△Q)值和氢键能远高于PU和PCL模型。这主要是因为磺酸酯基团的空间位阻效应，提高了材料的力学性能，这与我们之前在实验中观察的的现象是一致的。
两性离子聚氨酯;二氧化钛纳米颗粒;制备工艺;光稳定性;力学性能
北京化工大学
博士
化学
张军营;史翎
2021
中文
TQ323.8
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）