葡甘聚糖,是一种来源丰富的水溶性极好的非离子性高分子多糖,具有非常优异的胶凝特性。结合其优良的保水性、吸水性和生物相容性等特点,魔芋葡甘聚糖(Konjac Glucomannan,以下简称KGM)水凝胶成为一种新型的高分子功能材料,在智能水凝胶,快速响应水凝胶,规整型水凝胶,物理交联型水凝胶,互相穿插网络水凝胶等领域应用广泛。但是KGM水凝胶的应用并不顺利,发现凝胶强度和弹性等性能不稳定,易失水等问题。由于结构特性是功能特性变化的深层原因,为了使KGM水凝胶应用得更好,我们需要研究KGM分子的网络结构,揭示影响KGM水凝胶结构稳定性的因素。本课题将以KGM分子为基础结构,通过分子模拟(分子动力学模拟,耗散粒子动力学模拟)研究KGM与卡拉胶、硼砂反应形成凝胶的相互作用情况以及KGM在乙酰基含量不同的情况下的物质状态,探讨KGM凝胶形成机理及稳定性影响因素,以期制得处于能量最低的稳定状态的KGM凝胶。主要研究内容与结果如下:(1)利用介观尺度模拟方法通过Material Studio软件中的DPD模块模拟了KGM分子与卡拉胶形成复配凝胶的相互作用过程,在介观聚集态层面上研究了KGM和卡拉胶的复配协同增效作用的机理,从复配凝胶的能量变化、介观形貌变化、凝胶末端距值变化、界面应力变化等方面分析表明KGM和卡拉胶的复配能起到协同增效作用,凝胶强度、粘度等得到了加强,与前人实验研究的结果一致。研究表明,KGM和卡拉胶的复配胶的分子链缠结可能已经从在水溶液中单纯的氢键、范德华力等相互作用力变为凝胶状态中的耦合缠结,分子链随着KGM和卡拉胶的复配浓度的增加缠结得更加紧密,有向拓扑缠结的趋势。(2)利用介观尺度模拟方法通过Material Studio软件中的DPD模块模拟了KGM分子与硼砂在水溶液中形成凝胶的相互作用过程,着重通过耗散粒子动力学模拟动态形象的展现了复合物随着模拟步数的增加凝胶的介观形貌的变化过程,并通过复合凝胶的能量变化、界面应力变化等方面分析KGM-硼砂复合物凝胶比KGM凝胶的强度大,析水率低等宏观性能变化方面的微观原因。研究表明KGM-硼砂复合物凝胶比KGM凝胶的界面应力大;随着KGM-硼砂复合物体积分数的逐渐增大,所形成的凝胶介观形貌差异较大,主要是胶束间从缝隙较大到无缝隙;KGM-硼砂复合物凝胶胶束主要是由硼砂分子链聚集作为核心,KGM分子链紧紧环绕在其周围交织缠绕在一起形成的。随着体积分数的增大,凝胶胶束越来越大,越来越多,胶束间缠绕聚集在一起形成了凝胶。(3)通过耗散粒子动力学模拟方法对脱乙酰度不同、乙酰化度不同的KGM在水溶液中的介观形貌变化过程进行了模拟,得出了以下结论:在乙酰基含量低于天然KGM乙酰基含量的70%左右的时候,随着乙酰基含量的变少,KGM分子溶解性不断下降,最后形成KGM凝胶;在乙酰基含量超过天然KGM乙酰基含量的1.5倍左右的时候,随着乙酰基含量的增加,KGM也能形成凝胶聚集体。在对KGM凝胶的介观形貌变化结果以及对模拟体系达到平衡时的时间分析后推测乙酰基的存在对KGM的溶解性有很大的影响,乙酰基含量在一定范围内,KGM具有很高的溶解性,但是乙酰基含量高于这个范围或低于这个范围时,KGM的溶解性均呈现下降趋势,且推测高亲水性的非疏水取代中性多糖KGM在加碱脱乙酰后,乙酰基含量迅速降低,空间位阻效应因乙酰基而产生的被大大降低,此时KGM分子链通过分子内、分子间的氢键、范德华力等分子间作用力不断缔合,并由葡萄糖和甘露糖的B面不断疏水堆聚,形成疏水微区;在氢键作用、疏水相互作用力大大增强下KGM在短时间内形成热不可逆凝胶。