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超临界流体制备多孔结构的热力学行为研究

作　者: 桂秋媛
导　师: 刘志军
学　校: 大连理工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 超临界流体相转化多孔结构热力学三元相图
分类号: TK123
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着细胞生物学,分子生物学及生物材料学研究的迅速发展,组织工程作为一门新兴的交叉学科在其研究和应用方面取得了很大进展。其中,理想的细胞支架材料的选择和制备是组织工程研究中的一项主要内容。超临界诱导相转化工艺制备多孔结构是在传统的相转化工艺基础上发展的一种新的制备工艺。通过对工艺过程中涉及的热力学行为进行研究,可以深入分析并计算超临界流体诱导相转化工艺参数,从而更好地优化多孔结构的制备工艺。基于高分子溶液的Flory-Huggins理论,建立“超临界流体-溶剂-聚合物”三元体系相平衡计算模型,并利用Matlab软件计算得出该体系的包含双节线、旋节线和临界点在内的三元相图,进一步研究了超临界流体诱导相转化工艺制备多孔结构过程中的相分离行为。通过对三元相图进行分析,划分出“超临界流体-溶剂-聚合物”三元体系发生相分离的区域,进而确定体系在相转化过程中所处的状态,为实验参数和工艺条件的优化提供理论依据。利用建立的热力学模型,对“超临界CO2 (ScCO2)-丙酮(AC)-聚己内酯(PCL)”三元体系和"ScCO2-二氯甲烷(DCM)-聚乳酸(PLLA)"三元体系进行热力学计算,结果如下：1.三元体系临界点计算结果表明,临界点在相图中的位置越接近溶剂-非溶剂轴,体系越容易发生聚合物贫相成核的相分离过程,越有利于制备性能良好的多孔结构。2.ScCO2-AC-PCL三元体系热力学计算结果表明,随着压力的增大或温度的降低,非溶剂/溶剂相互作用参数χ12和非溶剂/聚合物相互作用参数χ13均减小,即非溶剂与溶剂或非溶剂与聚合物的相互作用增强。进一步分析χ12与χ13对相图的影响发现,χ13对相图中双节线位置的影响更为显著,在χ13影响下,多孔结构平均孔径随压力的增大或温度的降低而增大。3.在ScCO2-AC-PCL三元体系中,相关参数的互相作用使双节线远离聚合物-溶剂轴,均相区增大,两相区减小,所制备的多孔结构的平均孔径增大；当体系达到热力学平衡状态时,随着聚合物富相和贫相连结线的斜率增大,相分离的时间将缩短,从而使制备的多孔结构的平均孔径减小。4.ScCO2-DCM-PLLA三元体系热力学计算结果表明,压力和温度对非溶剂/溶剂以及非溶剂/聚合物之间相互作用参数的影响与ScCO2-AC-PCL三元体系中的变化规律相似；相图中双节线和旋节线的位置以及连结线斜率的变化规律也与ScCO2-AC-PCL三元体系的计算结果基本类似。由于聚合物本身的性质不同,与PCL体系相比,压力和温度等参数对PLLA三元体系的影响更为显著。5.用三元体系的热力学计算结果分别对各体系所制备的多孔结构进行分析,相图中各参数的变化情况可很好地解释不同实验参数条件对多孔结构的孔径和形态的影响规律,表明本文所建立的“超临界流体-溶剂-聚合物”三元体系的热力学模型和得到的计算结果是可靠的。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
引言  11-13
1 文献综述  13-26
  1.1 组织工程细胞支架的制备  13-17
    1.1.1 支架材料  13-14
    1.1.2 支架制备工艺  14-17
  1.2 超临界流体诱导相转化工艺制备多孔结构  17-18
    1.2.1 超临界流体  17
    1.2.2 超临界流体诱导相转化制备多孔结构的应用  17-18
  1.3 相转化法制备工艺的热力学行为  18-25
    1.3.1 国内外研究进展及评述  19-20
    1.3.2 本文研究内容  20-25
  1.4 本章小结  25-26
2 三元体系热力学计算  26-42
  2.1 三元体系相平衡计算模型  26-31
    2.1.1 双节线  26-28
    2.1.2 旋节线  28-30
    2.1.3 临界点  30-31
  2.2 三元体系二元相互作用参数  31-35
    2.2.1 相互作用参数计算  31-33
    2.2.2 相互作用参数对相图的影响  33-35
  2.3 CO_2的Hansen溶解度参数  35-41
    2.3.1 CO_2状态方程  35-36
    2.3.2 ScCO_2密度计算及比较  36-37
    2.3.3 ScCO_2的Hansen溶解度参数计算  37-41
  2.4 本章小结  41-42
3 超临界CO_2-丙酮-聚己内酯三元体系热力学计算  42-64
  3.1 体系中参数的确定  42
  3.2 相互作用参数计算与讨论  42-46
    3.2.1 三元组分溶解度参数  42-43
    3.2.2 相互作用参数计算  43
    3.2.3 压力的影响  43-45
    3.2.4 温度的影响  45-46
  3.3 溶剂和非溶剂的互溶性分析  46-47
  3.4 PCL体系临界点计算  47-50
    3.4.1 压力的影响  47-49
    3.4.2 温度的影响  49-50
  3.5 不同压力条件下相图计算  50-57
    3.5.1 相图绘制  51-52
    3.5.2 分相点的确定  52-53
    3.5.3 连结线斜率计算  53-55
    3.5.4 支架形态的影响因素分析  55-57
  3.6 不同温度条件下相图的计算  57-63
    3.6.1 相图绘制  57-59
    3.6.2 分相点的确定  59-60
    3.6.3 连结线斜率计算  60-61
    3.6.4 支架形态的影响因素分析  61-63
  3.7 本章小结  63-64
4 超临界CO_2-二氯甲烷-聚乳酸三元体系热力学计算  64-86
  4.1 体系中参数的确定  64-65
  4.2 二元相互作用参数计算与讨论  65-68
    4.2.1 体系校正因子的确定  65-66
    4.2.2 压力的影响  66-67
    4.2.3 温度的影响  67-68
  4.3 溶剂和非溶剂的互溶性分析  68
  4.4 PLLA体系临界点计算  68-72
    4.4.1 压力的影响  68-70
    4.4.2 温度的影响  70-72
  4.5 不同压力条件下PLLA体系相图计算  72-76
    4.5.1 相图绘制  72-73
    4.5.2 分相点的确定  73-74
    4.5.3 连接线斜率计算  74-75
    4.5.4 支架形态的影响因素分析  75-76
  4.6 不同温度条件下的相图计算  76-81
    4.6.1 相图绘制  76-77
    4.6.2 分相点的确定  77-78
    4.6.3 连接线斜率计算  78-79
    4.6.4 支架形态的影响因素分析  79-81
  4.7 聚合物分子量的影响  81-83
  4.8 添加剂影响  83-84
  4.9 本章小结  84-86
结论  86-88
参考文献  88-94
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  94-95
致谢  95-96

超临界流体制备多孔结构的热力学行为研究

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