纯物质与二元分子体系的玻璃形成热力学研究

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阐明热力学和动力学两方面决定玻璃形成的因素,有利于根据不同的使用情况寻找合适的玻璃形成体,这对玻璃态材料的工业发展是很有意义的。在本文中,我们首先以纯的药物分子为研究对象,旨在阐明对玻璃形成起作用的因素。玻璃态药物相比晶态药物,水溶性、化学活性和生物利用度有很大的提高,因此具有很大的应用价值。通过量热学、介电以及粘度等测量手段,我们对药物分子的玻璃化转变的相关热力学和动力学行为进行了表征。药物分子的特征热力学和动力学参量同样也适用小分子玻璃形成体系中建立的一些经验规则。通过系统地比较热力学与动力学作用对玻璃形成的影响,最终表明熔点处的粘度是影响玻璃形成的决定性参量。更有意义的是,本文建立了药物分子熔点处粘度与约化熔化熵之间的关联,表明热力学能够通过作用于动力学来影响玻璃形成。  随后,本文对二元分子混合体系进行了研究,与纯物质相比,二元体系中不同类的组元之间存在相互作用。这种相互作用与同类组元间的作用的平衡反映在热力学上即是体系的混合热,ΔHmix。本文定量地研究了ΔHmix对玻璃化转变的影响,选择了具有不同的正负性、大小的ΔHmix的5组二元体系,研究了它们的玻璃化转变温度随组分的变化(Tg-x关系),发现了不同符号的ΔHmix的体系的Tg-x关系相对于理想混合规则的偏离方向不同,正的ΔHmix通常导致负的偏离方向,而负的ΔHmix则通常导致正的偏离方向。对于具有不同大小ΔHmix的体系,大的ΔHmix体系会产生大的偏离程度。ΔHmix的数值与最大的偏离程度之间可以建立基本线性的关联。经验的Gordon-Taylor(GT)和Couchman-Karasz(CK)方程也被用来解释这些Tg-x偏离,但只能解释偏离中很小的一部分。证实了相对于方程强调的纯物质的性质,如Tg、玻璃化转变处的热容差ΔCp、以及密度ρ,ΔHmix对玻璃化转变的影响更明显。  此外,本文通过热力学方法研究了苯与5种玻璃形成体组成的二元混合物的玻璃化转变和动力学。苯和这些物质的相互作用可以被归为三类:强、中等以及弱的相互作用。这些二元体系既有正的ΔHmix,又有负的ΔHmix。依据这些混合热数据,通过外延这些体系的苯含量高的区域的Tg-x关系,得到了纯苯的Tg。得到的数值都集中在142 K附近。同时,通过外延方式还确定了苯的强弱性参数m,约为80。通过Tg和m这两个参数构建了苯在过冷液相区的激活能谱。经分析,苯较弱的玻璃形成能力源于其极低的熔点处粘度。
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