淀粉基生物可降解材料的研究新进展

从淀粉的微观结构、加工过程中的相变及淀粉改性等基础理论出发,针对淀粉基材料存在的机械性能较低,对水敏感性高等缺陷,以及发泡材料制备的特点,介绍了最新的基础研究和应用研究成果.本文从淀粉基全天然高分子复合材料、纳米复合材料、自增强复合材料及功能性复合材料四个方面介绍了通过共混与复合制备淀粉基可生物降解材料,并且介绍了淀粉基材料防水改性的相关进展.指出使用可再生的天然高分子材料对淀粉进行改性,不仅能够提高材料的各种性能,而且由于所有组分都来源于天然材料,制备出的共混、复合和涂层材料也都环保安全,甚至可以用来制备可食用包装,为研制新型淀粉基材料提供有力的理论和技术支持.另外,目前对水在淀粉基发泡材料中如何同时担任增塑剂和发泡剂的机理研究取得突破性进展,发现并控制了泡孔结构由闭孔到开孔的转换临界点,研制并产业化了全淀粉发泡材料.基于上述讨论,指出淀粉基可生物降解材料既有机遇,同时也面临挑战.     

原子尺度原位揭示纳米粒子相变微观机制

<正>凝固和熔化是自然界普遍存在的现象,广泛涉及到工业生产及物理、化学、生命、材料和环境等科学研究领域。但是,由于缺乏直接实验依据,目前关于液态、固态之间相变的微观机制认识尚不十分清楚。为此,在原子尺度观察材料相变过程中的成核、生长等微观动力学过程则是认识相变微观机制的关键。由于相变过程的不连续性、瞬时性且发生的空间范围往往在原子尺度等特点,实验上很难实现在操控材料相变的同时对其微观动力学过程进行全面和详细记录。因此,     

溶液小角散射技术在软物质研究中的应用与展望※

溶液小角散射实验方法是表征溶液体系多尺度时空结构的研究利器, 在软物质研究领域已得到广泛应用. 溶液小角散射包括X射线散射和中子散射, 可以在纳米到微米空间尺度以及毫秒时间尺度对溶液软物质微观结构进行表征. 微纳尺度结构与研究对象的宏观性能密切相关, 利用同步辐射X射线小角散射高通量、快速时间分辨以及中子小角散射无损、深穿透性的特点, 可以在不同环境变量下系统研究软物质体系的纳米结构及演变过程. 系统介绍了溶液小角散射实验方法的发展现状以及溶液小角散射的基本原理. 结合典型的应用案例, 展望了溶液小角散射技术的发展趋势及其在软物质领域研究中的应用前景.     

高分子多尺度结构与动力学的固体NMR研究

高分子材料中的微观结构和动力学特征决定了材料的最终物理化学性能,并具有典型的时间和空间上的多尺度特性。在不同时空尺度上表征凝聚态下高分子中多尺度的结构、动力学及其动态演变等问题,进而阐明其结构-性能间的关系一直是高分子科学研究中的挑战性课题。目前,固体NMR技术已成为从原子至100nm的空间和10-9～10s的时间尺度上研究固态高聚物体系中多层次结构和复杂运动并阐明其结构与性能关系的有力工具。本文将综述我们近年来系统构建的多尺度固体NMR实验技术,及其在阐明高分子链结构、链间相容性和相互作用、界面相结构及相区尺寸、以及从高频到超慢链运动等问题中的应用。     

稻壳气化过程中碳微观结构及气化活性演变历程研究

为探究高倍率循环流化床气化过程中生物质中碳微观结构及气化活性演变规律,在实验室固定床反应装置上对稻壳进行了高循环倍率气化过程模拟,并对稻壳热解焦及其不同次数循环气化后样品的孔隙结构、碳微观结构及气化活性进行了研究.结果表明,随着循环次数的增加,焦的比表面积呈现先增大后减小的趋势,但不同次数循环后焦的BET比表面积均明显...     

电化学理论模拟方法的发展及其在铂基燃料电池中的应用（英文）

电化学中的理论计算模拟对于从原子水平理解电化学过程中的机制至关重要,它可以弥补许多实验上无法解释的现象,如果能在原子尺度上确定理解反应的活性中心,得到电极或电催化剂结构的演变过程,建立反应的微观机理,从根本上解决电极氧化和腐蚀的问题,提高电化学催化剂的活性和稳定性,从而设计更高效的电催化剂。然而,电化学的理论计算模拟中仍然存在诸多问题,例如,溶剂化效应的实现、电极/电解质（金属/溶液）界面之间合适的模拟模型和方法、电化学过程中的结构演化以及如何降低结构计算的计算代价等。在这里,我们回顾了电化学建模方法的最新进展以及我们小组通过使用修正的泊松-玻尔兹曼连续介质溶剂化模型模拟溶剂化效应对溶剂化效应和模型进行改进。同时为了减少计算代价,我们更关注机器学习在电化学模拟中的应用,主要分为两个部分,即通过快速对多种不同组分的能量进行计算并筛选出合适组分,但是无法得到实际的结构演变情况。另一个是通过快速结构取样得到不同组分不同的结构变化能够更为直观的获得结构的演变过程,从而揭示反应的机理。我们以本课题组开发的SSW-NN的方法为例,总结了基于机器学习的原子模拟在电化学方面的应用,介绍了SSW-NN,...     

天然植物高分子药用胶囊的研究与发展

讨论了天然植物高分子药用胶囊的最新研究与发展,介绍了目前的主要研究成果并提出展望.不仅从化学结构、流变和相变等基础理论方面探讨了各类植物药用胶囊的特性和研制中所遇到的问题,同时对各种胶囊制备设备与工艺的发展及应用中的技术改进进行了综述分析.传统明胶胶囊生产工艺的应用已有160多年的历史,目前植物胶囊生产设备和工艺多是建立在传统明胶胶囊生产的基础上.研究植物胶囊材料的流变和凝胶性能以尽量满足传统明胶的设备与工艺是当今急需解决的难题之一.近年来,随着人们对淀粉结构和改性方法的深入研究(尤其是将淀粉基可生物降解材料的制备技术与传统食品科学的研究成果有效结合),应用高分子科学理论和方法提高淀粉基材料的加工性能,力学性能与稳定性的研究有了突破性进展,为淀粉胶囊的研制提供了理论和技术上的有力支持.使用传统塑料加工的挤出加工法制备植物胶囊,是植物胶囊研究中的重大突破和创新.从原材料来源的充足性和价格上考虑,淀粉是最有潜力替代传统胶囊的原料之一.     

淀粉-丙烯酸钠接枝共聚物的固体高分辨核磁共振研究

运用固体高分辨核磁共振技术,通过测量13C魔角旋转/交叉极化(CP/MAS)谱、1H自旋-晶格弛豫时间T1及旋转坐标系中的自旋-晶格弛豫时间T1ρ,对一系列淀粉-丙烯酸钠接枝共聚物的相结构进行了研究,并与淀粉、均聚丙烯酸钠及两者共混物的实验结果进行了比较.结果表明,接枝共聚导致了淀粉结晶度的明显降低;在共混物和接枝共聚物中,淀粉和聚丙烯酸钠组分都具有纳米尺度的相容性,由于接枝的效应,接枝共聚物中两个组分表现出比共混物更高的相容水平.     

X射线晶体学和电子晶体学在分子筛结构表征中的应用

分子筛是一类具有规则孔道或笼结构的晶态微孔材料, 在吸附、 分离和催化中都表现出了优异的性能. 为了探索其结构与性质的关系, 在原子尺度上研究分子筛的微观结构是十分必要的. 本综述介绍了一系列与X射线晶体学和电子晶体学相关的表征技术（倒易空间和正空间）在分子筛结构表征中的应用. 随后, 基于分子筛的结构表征方法和化学组成, 对2007年之后发现的85种新分子筛进行了系统总结, 对其中9种具有独特合成方法或结构特征的分子筛进行了详细介绍.     

纳米结构MnO2的水热合成、晶型及形貌演化

以水热合成方法制备了具有不同微观形貌的纳米结构MnO2, 并以X射线衍射(XRD), 扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)等方法对其进行了表征. 跟踪考察了二氧化锰的晶型及微观形貌随水热反应时间的演变过程, 在Ostwald ripening机理作用下, MnO2晶型转化过程为γ-MnO2, α-MnO2和β-MnO2, 同时形貌由微米球转变为海胆结构、空心海胆结构和纳米线.     

X射线晶体学和电子晶体学在分子筛结构表征中的应用（英文）

分子筛是一类具有规则孔道或笼结构的晶态微孔材料,在吸附、分离和催化中都表现出了优异的性能.为了探索其结构与性质的关系,在原子尺度上研究分子筛的微观结构是十分必要的.本综述介绍了一系列与X射线晶体学和电子晶体学相关的表征技术(倒易空间和正空间)在分子筛结构表征中的应用.随后,基于分子筛的结构表征方法和化学组成,对2007年之后发现的85种新分子筛进行了系统总结,对其中9种具有独特合成方法或结构特征的分子筛进行了详细介绍.     

聚乙二醇/氮化硼复合材料相变导热性能及其结晶行为

本文采用熔融共混浇筑的方法制备了聚乙二醇/氮化硼(PEG/BN)相变复合材料,并研究了不同尺度片状BN对相变复合材料导热性能和结晶行为的影响。 通过扫描电子显微镜(SEM)、热常数分析仪、红外热成像分析仪和差示扫描量热仪(DSC)研究了相变复合材料的微观形貌、导热系数和相变过程,并利用莫志深法对DSC结果进行了非等温结晶动力学分析。 结果表明,较大片状直径(50 μm)的BN可以更有效地提高聚乙二醇的导热系数,当BN填料质量分数为40%时,相变复合材料的导热系数可达到5.04 W/(m·K)。 在快速降温条件下,片径为50 μm的BN填料可以缩短PEG的半结晶时间,提高结晶速率,使相变复合材料具有较大的相变焓。     

石墨烯在甘油/尿素剥离液中的稳定行为的分子动力学模拟研究

现有的实验方法很难实时观测到石墨烯在液相剥离溶剂中的结构演变,尤其是石墨烯稳定的微观机理尚不明确.本工作通过分子动力学方法,模拟了多层石墨烯和U型石墨烯在不同的物质的量比下的甘油/尿素溶剂中的结构变化,研究剥离液对石墨烯稳定性的影响.结果 表明,多层石墨烯在不同溶剂体系中的稳定性差异不显著;而U型石墨烯在各溶剂体系的稳...     

大米淀粉糊化过程的光谱分析

采用衰减全反射傅立叶变换红外光谱仪跟踪测定了不同品种大米淀粉的糊化过程,同时与X-射线衍射仪测定的淀粉结晶度相对比,研究了淀粉颗粒内结晶结构在糊化过程中变化的详细情况.利用红外光谱仪计算出天然大米淀粉及其在糊化过程中各个阶段代表结晶区特征的1047cm-1和代表非晶区特征的1022cm-1两处红外吸收峰强度的比值.结果表明,天然淀粉的结晶区主要由支链淀粉侧链的双螺旋结构所形成;在加热过程中淀粉的结晶结构被破坏,并且直链淀粉含量越高,其结晶结构在糊化过程中破坏越慢,说明直链淀粉能抑制淀粉结晶结构的破坏.利用X-射线衍射仪测定了大米淀粉糊化过程各个阶段的结晶度,进一步验证了淀粉的结晶结构在糊化过程中的损失.虽然,两种测定方法对"结晶度"的定义不同,但对于淀粉结晶程度的测定具有相关性和可比性,能为研究淀粉的糊化行为提供有利的补充信息.     

聚合物熔体冷却阶段结晶行为的多尺度模拟

针对结晶型聚合物熔体冷却过程的结晶行为,建立了偶合宏观温度场与微观结晶形态的多尺度模型.该模型揭示了宏观温度的变化会引起晶核数、晶体生长速率的改变,从而影响微观结晶形态;而微观结晶释放的潜热也将导致宏观温度的改变.为了求解上述多尺度模型,提出了有限体积/像素法偶合的多尺度算法,即在粗网格上采用有限体积法对宏观温度场进行求解,而在细网格上采用像素法对微观结晶形态进行模拟.基于多尺度模型及多尺度算法,文中对二维聚合物熔体模壁等速降温的冷却问题进行了研究,考察了温度、相对结晶度的变化及结晶形态的演化,并比较了不同冷却速率、初始温度对温度、相对结晶度及结晶形态的影响.数值结果表明,冷却速率是影响结晶行为的关键.高冷却速率下,温度平台出现较早,持续较短;结晶过程对应的温度范围较广;且平均晶体直径较小.而初始温度只影响温度平台及结晶行为出现的早晚,与其持续时间几乎无关。     

Li_(0.025)Na_(0.975)NbO_3低温铁电相变及晶体结构

铁电体是重要的物理器件材料之一,它们的自发极化性能在许多器件中得到广泛的应用。而铁电体中的顺电-铁电和铁电-铁电相变是一类重要的结构相变,研究这些相变,一方面可以获得产生铁电性微观机构的重要信息,另一方面对研制新的铁电材料及改进性能也有指导意义。低温铁电相变及共与晶体结构的关系是其中一个重要的分支。由于体系的复杂性及技术上难度的局限,迄今为止只有英国的Megaw等开展了这方面的研究。     

纳米复合材料中界面动态特性的扫描静电显微技术研究

纳米复合材料中的微观界面结构和界面作用对材料的宏观介电性能, 如介电常数、介电损耗、击穿强度等有十分重要的影响. 本文发展了一种基于扫描静电显微探针技术的测量方法, 可以直接表征二氧化钛/环氧树脂纳米复合材料的微观界面结构及相应的动态介电响应行为. 实验中利用扫描探针的纳米尺度分辨能力, 探测到不同温度下环氧树脂纳米复合材料的局域动态介电响应变化过程, 从而获得纳米颗粒与高分子界面相互作用及极化相关的温度特性. 进一步通过对二氧化钛纳米颗粒进行表面修饰, 得到了两种不同特性的二氧化钛/环氧树脂界面, 验证了不同界面作用引起的复合材料界面区域与非界面区域高分子链介电损耗图像的反差.     

AOT/H2O/油微乳液体系的浊度、密度和微观结构

建立了通过精密测量密度、折射率和浊度研究微乳液滴微观性质的方法,获得水与表面活性剂的摩尔比r分别为10.5和12的AOT/H2O/甲苯微乳液体系液滴的微观结构及相互作用参数,得到AOT分子的长度L=1.07 nm,用液滴间的相互作用讨论了相变温度与r的关系.用L=1.07 nm,通过密度测量得到AOT/H2O/甲苯和AOT/H2O/环己烷两个微乳液体系不同r值下液滴的微观结构参数,与文献报导的数据吻合得很好.发现在微乳液滴中的水的密度明显大于自由水的密度,并随溶剂变化,而AOT分子的构型不变.     

AOT/H_2O/油微乳液体系的浊度、密度和微观结构

建立了通过精密测量密度、折射率和浊度研究微乳液滴微观性质的方法,获得水与表面活性剂的摩尔比r分别为10.5和12的AOT/H2O/甲苯微乳液体系液滴的微观结构及相互作用参数,得到AOT分子的长度L=1.07nm,用液滴间的相互作用讨论了相变温度与r的关系.用L=1.07nm,通过密度测量得到AOT/H2O/甲苯和AOT/H2O/环己烷两个微乳液体系不同r值下液滴的微观结构参数,与文献报导的数据吻合得很好.发现在微乳液滴中的水的密度明显大于自由水的密度,并随溶剂变化,而AOT分子的构型不变.     

相变调温微胶囊的制备及其在PVA膜中的应用

采用类核壳乳液聚合法制备了相变调温微胶囊(Micro PCMs),并与聚乙烯醇(PVA)水溶液共混,制备了具有相变调温功能的PVA膜,对微胶囊及PVA复合膜的表面形貌、化学结构、耐热性能及相变调温等性能进行了研究,同时对PVA膜的断裂强度和拉伸强度进行了表征.结果表明,相变调温PVA膜的相变焓随MicroPCMs用量的增加而增大,当MicroPCMs与PVA的质量比为1∶1时,相变调温PVA膜的熔融焓与结晶焓分别为43.9和-44.8J/g,具有较好的相变调温功能.