多羟基类抗冻剂低温热物理性质研究

摘要

多羟基类抗冻剂(多元醇、糖)在现实中已得到了广泛应用，但迄今为止还没有评价抗冻剂抗冻特性的统一标准，其微观抗冻机理也存在争议。本文利用差式扫描量热法(DSC)考察一系列多羟基类抗冻剂的低温热物理性质，研究分子结构与抗冻特性之间的关系，尝试从分子层面给出相应解释，藉此明确多羟基类抗冻剂的抗冻特性及其影响因素。分析结果表明：　　1.等质量摩尔浓度溶液下，多元醇类抗冻剂随着分子内羟基个数的增多，水的抗冻系数αw变大，抗冻剂的摩尔抗冻系数AFmole增加，结合水含量增加，抗冻能力提高。但是溶液中羟基质量摩尔浓度的增加会加大羟基自身键合氢键的机会，减弱单个羟基键合水分子的能力。　　2.多元醇同分异构体间的抗冻能力具有差异性，碳链中间连接的羟基相对碳链端部连接的羟基具有更强的与水分子键合的能力。　　3.随着溶液中五碳糖抗冻剂质量摩尔浓度的增加，αw变大，抗冻剂的抗冻能力增强，但同时也会加大抗冻剂分子自身键合的机会，从而导致AFmole减小，单个抗冻剂分子结合水能力减弱。　　4.等质量摩尔浓度下，碳链长度相同的糖醇比相应的糖溶液中的αw及AFmole都大。表明羟基(-OH)与水分子键合的能力强于羰基(-(C=O)-)，糖醇的抗冻能力强于相应的糖。　　5.利用分子动力学(MD)模拟方法预测两种多元醇同分异构体水溶液的冻结相变参数，并用DSC验证了模拟结果的正确性。由MD分析的动力学轨迹确定了体系的自扩散系数，发现多元醇水溶液的自扩散系数随着温度的降低而近似线性的减小。利用自扩散系数与温度间的Arrhenius关系可以考察抗冻剂的表观活化能。

目录

文摘

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 冷却液抗冻添加剂

1.1.2 低温保护剂

1.1.3 课题意义

1.2 研究现状

1.2.1 差式扫描量热技术

1.2.2 抗冻系数

1.2.3 氢键在水溶液冻结行为中的作用

1.2.4 分子动力学

1.3 本文的主要研究内容

第2章 理论及DSC实验部分

2.1 前言

2.2 理论描述

2.2.1 水的抗冻系数

2.2.2 抗冻剂的抗冻系数

2.2.3 理论相变潜热的确定

2.3 实验仪器

2.3.1 Pyris 1 DSC仪器简介

2.3.2 Sartorius BP211D精密电子天平

2.4 实验步骤

2.4.1 实验样品及试剂

2.4.2 实验流程

2.4.3 DSC读取冻结特性参数

2.5 本章小结

第3章 多元醇的抗冻特性

3.1 引言

3.2 正丙醇与异丙醇抗冻特性对比

3.3 小分子多元醇抗冻特性对比

3.3.1 氢键分析

3.3.2 羟基的影响

3.4 本章小结

第4章 四种五碳糖同分异构体的抗冻特性

4.1 引言

4.2 五碳糖同分异构体抗冻特性分析

4.2.1 不同m下四种五碳糖溶液冻结行为分析

4.2.2 等m下四种五碳糖溶液冻结行为分析

4.2.3 氢键分析

4.2.4 结合水含量分析

4.2.5 抗冻剂结合水能力分析

4.3 本章小结

第5章 比较糖与糖醇的抗冻特性

5.1 引言

5.2 糖与糖醇抗冻特性对比

5.2.1 DSC热流曲线对比

5.2.2 氢键分析

5.2.3 结合水含量分析

5.2.4 抗冻剂结合水能力分析

5.3 本章小结

第6章 分子动力学模拟

6.1 引言

6.2 分子动力学模拟方法

6.2.1 分子建模及力场设置

6.2.2 构造初始构型盒子

6.2.3 模拟动力学参数设置

6.3 模拟结果分析

6.3.1 定压比热容cp

6.3.2 模拟结果的有效性分析

6.3.3 自扩散系数及表观活化能

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 主要工作与结论

7.2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文