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聚羟基丁酸_戊酸的非等温热分解反应动力学_袁军

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聚羟基丁酸_戊酸的非等温热分解反应动力学_袁军

988

物理化学学报(WuliHuaxueXuebao)ActaPhys.-Chim.Sin.,2005,21(9):988~992

September

聚羟基丁酸-戊酸的非等温热分解反应动力学

军1,2

邓明进2

艾军2解孝林3

430073)

郑启新1

430073;

(1华中科技大学生命科学与技术学院,武汉430073;2武汉化工学院化工与制药学院,武汉

华中科技大学化学系,武汉

摘要用非等温TG-DTA技术,在5.0、10.0、15.0和20.0K?min-1线性升温条件下,研究聚羟基丁酸-戊酸(PHBV)的

热分解反应动力学.结果表明,分解过程分三个阶段:分解初期、分解中期和分解后期.分解初期的机理函数为Avrami-Erofeev方程(n=1/2),对应随机成核和随后生长机理,表观活化能Ea(β→0)为69.44kJ?mol-1,指前因子A(β→0)为106.27s-1;分解中期的机理函数为Avrami-Erofeev方程(n=2/5),对应随机成核和随后生长机理,表观活化能Ea(β→0)为117.64kJ?mol-1,指前因子A(β→0)为1011.48s-1;分解后期的机理函数为MampelPower法则(n=1/3),对应机理为幂函数法则,表观活化能Ea(β→0)为116.64kJ?mol-1,指前因子A(β→0)为108.68s-1.关键词:聚羟基丁酸-戊酸,中图分类号:O643

非等温动力学,

分解机理,

双外推法

聚羟基烷酸酯(PHA)是一类通过微生物发酵合

成的天然脂肪族聚酯,作为组织工程支架材料具有良好的生物相容性、可降解性以及高的细胞亲和性和生物活性[1],且在人体内可发生水解和酶解反应而降解[2],其物理性能与聚丙烯(PP)相近,尤其是熔点低(160℃),是一种很有发展前景的生物医学材料.聚羟基丁酸-戊酸(PHBV)是PHA中的一种.20世纪80年代初,聚羟基丁酸酯(PHB)以及其共聚物PHBV由英国帝国化学工业公司(ImperialChemicallndustres)实现了工业化生产.在我国,2000年中科院微生物所国家“九五”攻关任务“淀粉糖加丙酸发酵生产PHBV”中试成功,并由宁波天安生物有限公司实现了工业化生产,这为我国进一步应用PHBV开发新型生物医学材料提供了可靠保证.但由于PHA的降解过程比较复杂,其降解的动力学理论研究尚未获得统一认识.国外研究者用MichaelisMenten动力学模型来研究PHAase解聚酶对聚羟基丁酸酯(PHB)的降解过程,在进行了边界条件的假设后,计算得到MichaelisMenten常数为73~131!g?mL[3-4].但采用不同的方法(如失重法、滴定法或光密度法)对降解速度进行测定时,由于PHBV在模拟体液中水解或酶解过程中的产物并不一定是单一的物质,在对产物分析的过程中,可能引入人为的误差,因此得到的

2005-01-06收到初稿,2005-03-14收到修改稿.联系人:袁

动力学参数值有较大的差别[5-7].目前的研究主要是

PHBV在模拟体液中的水解或酶解动力学模型,而对PHBV热分解反应动力学的研究还未见报道.

我们尝试用TG-DTA技术,在不同线性升温条件下,对聚羟基丁酸-戊酸(PHBV)热分解进行动力学研究,并将用Coats-Redfern方法得到的Ea和lnA值用双外推法[8]进行处理,得到升温速率β→0时的

→0)和lnA(β→0)值,再与用极限动力学参数Ea(β

Flynn-Wall-Ozawa方法、Kissinger方法得到的值进行比较,以此判断PHBV热分解过程的最可能机理函数,为研究PHBV的热稳定性以及进一步的应用提供一些有价值的参考信息.

1.1

实验部分

样品

PHBV(羟基戊酸含量1.1%,Mr=5×105,纯度99.5%),由宁波天安生物有限公司提供.1.2测试

样品的TG-DTA测试在上海精密科学仪器有限公司生产的差热分析仪(ZRY-1P)上进行,TG量程:10mg,DTA量程:100μV,DTG量程:20mg?min-1,升温速率为5.0、10.0、15.0和20.0K?min-1,空气气氛,样品量为10mg,并采用相应的ZRY-2P软

军(E-mail:hatalent@yahoo.com.cn:Tel:027-62308586)

No.9

heatingrate!=5K?min-1

袁军等:聚羟基丁酸-戊酸的非等温热分解反应动力学

β/K?min-1:a,5;b,10;c,15;d,20

989

图1Fig.1

PHBV热分解过程的TG-DTA曲线

TG-DTAcurvesforthedecompositionofPHBV

图2Fig.2

不同升温速率下的α-T关系曲线

α-TcurvesofPHBVwithvariousheatingrates

件进行分析.数据处理采用自编的差热分析数据处理软件.实验曲线如图1所示.

过外推的方法,即可得到在β→0时的极限动力学参数Ea(β→0)、lnA(β→0).将Ea(β→0)、lnA(β→0)与

Ea(Ozawa)、Ea(Kissinger)和lnA(Kissinger)的值相比较,相同或相近者,则表明与其相应的G(α)函数式是固体热分解过程最可能机理的函数式.

2数据处理原理

对于固体物质的分解反应[9],其动力学方程一

般有两种形式:

d"=Aexp(-Ea/RT)f(")

积分方程:G(")=(AEa/!R)Q(u)

u=Ea/RTQ(u)为温度积分

Q(u)=

(1)(2)

3.1

结果与讨论

!(e/u)du

-u

式中:α为分解率;f(α),G(α),分别为描述分解反应的微分和积分函数;A为指前因子;Ea为活化能;R为普适气体常数;T为温度;β为线性升温速率.

根据Flynn-Wall-Ozawa公式[10-11]lgβ=lg[AEa/RG(")]-2.315-0.4567Ea/RT(3)当α一定时,G(α)也一定,则lgβ与1/T呈直线关系,可求出对应于一定α时的表观活化能Ea(Ozawa).

根据Kissinger公式[12]

!ARln=ln-Ea(4)Tpap

Tp为不同的升温速率条件下最大反应速率时的温度,作ln(β/T2p)-1/Tp关系图,即可求得其表观活化能

TG-DTA原始数据转换

通过差热分析仪即可采集到TG-DTG-DTA的图形数据,又可采集到TG-DTG-DTA的文本数据.用ZRY-2P型差热分析仪自带ZRY-2P软件可得到五类数据:时间t(s)、温度T(K)、微分差热DTA(μV)、重量TG(mg)和微分失重DTG(mg?min-1).利用自编的差热分析数据转换软件,将TG(mg)和T(K)转换为α(%)、T(K)数据;用origin6.1软件绘制不同升温速率下的α-T图(见图2);根据DTA数据,可以得到不同升温速率β下的Tp、αp数据,结果见表1.

3.2用Flynn-Wall-Ozawa公式求活化能Ea(Ozawa)

将实验数据代入公式(3),即可求出对应于一定α时的表观活化能Ea值(见图3).结果表明Ea(Ozawa)的变化明显分三个阶段:(1)分解初期.分解率在0~14.63%之间,活化能随转化率的增加而增加,初始活化能Ea(Ozawa)(α→0)=70.33kJ?mol-1;(2)分解中期.分解率在14.63%~83.36%之间,活化能随分解率的增加变化不大,Ea(Ozawa)(α→14.63%)=112.18kJ?mol-1;(3)分解后期.分解率大于83.36%,活化能随转

→83.36%)=113.52化率的增加而下降,Ea(Ozawa)(α

kJ?mol-1.

表1

不同升温速率β下的Tp和αp值DataofTpandαpatvariousheatingrates

5529.181.9

10542.989.0

15556.188.6

20557.279.9

#$

Ea(Kissinger)和lnA(Kissinger).

同样,根据Coats-Redfern积分式[13]

G(α)ARln=ln-Eaa&$

(5)

在固定的升温速率β下,ln[G(α)/T2]与1/T呈直

线关系,由此可以计算出反应的表观活化能Ea和指前因子A.G(α)函数式愈能代表真实的的情况,则方程的直线关系愈好,通常以相关系数R来表征.在不同的升温速率下,将41种常见的动力学模型[9]代入方程⑷,计算出相应的动力学参数Ea、lnA的值.由不同升温速率的G(α)得到的动力学参数Ea、lnA,通

Table1

Tp/Kαp(%)

β/K?min-1

990

ActaPhys.-Chim.Sin.(WuliHuaxueXuebao),2005

Vol.21

Erofeev方程(n=2/5),其微分形式为:f(")=5(1-")?

[-ln(1-")]3/5,积分形式为:G(")=[-ln(1-")]2/5,对应的机理为随机成核和随后生长机理,Ea(!"0)=117.64kJ?mol-1,A(!"0)=1011.48s-1(ln(A(!"0)/s-1=26.44);分解后期最可能机理函数为MampelPower法则(n=1/3),其微分形式为:f(")=3"2/3,积分形式为:G(")="1/3,其对应的机理为幂函数法则Ea(!"0)=116.64kJ?mol-1,A(!"0)=108.68s-1(ln(A(!"0)/s-1=19.98).3.5

实验结果分析

根据理论计算的结果,可以推断PHBV的热分

图3Fig.3

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Flynn-Wall-Ozawa公式算得的Ea-α曲线TheEa-αcurveobtainedbyFlynn-Wall-Ozawaequation

3.3用Kissinger公式求活化能Ea(Kissinger)和lnA(Kissinger)

将表1的数据代入式(4),求出Ea(Kissinger)=101.24

解过程分三个阶段:⑴分解率<15%属于分解反应初期阶段,为随机成核和随后生长机理.其代表的物理意义可以理解为,反应初液态PHBV的分解发生在物相某些局部点,随机产生活性中心,然后部分活性中心产生分解产物或失活,部分活性中心继续生长产生新的活性中心.由于活性中心的作用,有可能导致液态PHBV分子之间发生作用,使分子量增加,导致产生新的活性中心比较困难,这有助于理解该过程表观活化能随分解率增加而增加的现象;⑵分解率在15%~85%之间属于分解反应中期,为随机成核和随后生长机理.该过程可以理解为活性中心的产生和失活已经达到了平衡,因此该过程表观活化能随分解率增加基本保持不变.⑶分解率大于85%属于分解反应后期,为幂函数法则.通过观察PHBV分解残余物,发现为黑色的焦炭类物质.因此,该过程可以理解为小分子PHBV在其固体分解残余物中的分解,其动力学模型一般采用固体内反应和扩散模型[14],用幂指数的动力学方程来描述.

kJ?mol-1;ln(A(Kissinger)/s-1)=21.50;R=0.9828.从表1可以看出,PHBV在不同β下达到最大分解速率时的分解率已经接近或处于分解后期的起始阶段,其Ea(Kissinger)值基本处于分解后期用Flynn-Wall-Ozawa公式计算的Ea-α曲线上.此Ea(Kissinger)和lnA(Kissinger)可作为判断分解后期最可能机理函数的参考.

3.4用Coats-Redfern公式求活化能Ea

对不同β下实验数据实行分阶段处理,固定升温速率不变,对不同阶段的数据分别将不同动力学模型[9]积分式G(")代入方程⑸,得到不同!下三个阶段的活化能Ea和指前因子A,为了判断ln[G(")/T2]和1/T是否呈线性关系,计算出对应的相关系数R和方差Q.再针对同一分解阶段不同升温速率处理的结果,通过外推的方法即可得到各阶段不同动力学模式的极限动力学参数Ea(β→0)、lnA(β→0).数据结果见表2.结果显示,采用不同动力学模型计算出的动力学参数有比较大的区别.为了判断PHBV热分解反应的最可能机理函数,具体判断规则如下:(1)线性相关系数R一般大于0.98;(2)方差Q小于0.3;(3)不同升温速率下所求得的Ea和lnA尽量与Kissinger法和Ozawa法计算的结果一致.

根据以上判断规则,满足PHBV热分解的三个阶段机理函数分别是No.13、No.12和No.23.由此推断PHBV的热分解初期的最可能机理函数为Avrami-Erofeev方程(n=1/2),其微分形式为f(")=2(1-")[-ln(1-")]1/2,积分形式为G(")=[-ln(1-")]1/2,对应的机理为随机成核和随后生长机理,Ea(!"0)=69.44kJ?mol-1,A(!"0)=106.27s-1(ln(A(!"0)/s-1=14.44);分解中期的最可能机理函数为Avrami-

4结论

(1)采用等转化率法,在不假定机理函数的情况下,得到了PHBV热分解过程中活化能随分解率的变化规律,由此推断PHBV热分解过程由三个阶段组成,并通过外推法得到三个阶段的起始活化能值.该值可用来检验在假定各分解阶段机理函数的情况下求得的活化能值,并进一步用来检验所假定最可能机理函数的正确性.

(2)在假定分解机理函数的情况下,计算不同升温速率条件下PHBV热分解过程三个阶段的活化能值,将升温速率外推到零,得到系统处于热平衡状态下的极限动力学参数Ea(β→0)、lnA(β→0),将Ea(β→0)、lnA(β→0)分别与三个阶段的Ea(Ozawa)比

No.9

表2

Table2

No.12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940

袁军等:聚羟基丁酸-戊酸的非等温热分解反应动力学

991

PHBV在不同升温速率下由不同机理函数所得的分解反应动力学参数

Mediumstageofdecomposition

Q0.08110.07910.01970.07810.01940.07720.07850.08430.07340.00960.01270.01520.0190.02520.02830.03770.05650.07530.11280.15030.08510.01030.01370.02040.04060.02720.08110.03840.03870.03870.03920.03920.04360.04660.0496

Ea(β→0)

kJ?mol-1438.23490.22124.37522.6132.22553.97511.27390.7696.2470.3896.64117.64149.14201.65227.9306.67464.2621.71936.781251.8339.8747.4566.04103.27214.92140.48438.23280.94272.8272.8257.1257.1150.06105.5574.92205.04

0.9986

0.035

428.3398.33

0.99800.99800.9296

0.08110.08110.0177

438.23438.23418.46

ln(A(β→0)/

-1s)

102.4114.427.61121.529.35128.311888.55162.814.7821.2926.4434.146.7853.0971.97109.5147221.7296.277.718.8613.5422.6949.5131.68102.464.2962.5963.6959.1559.8634.1723.4115.8948.66101.622.24101.7102.4100.8

R0.99730.99910.99960.99970.99970.99980.99960.99560.99680.99860.99870.99880.99880.99880.99880.99890.99890.99890.99890.99890.98740.99620.99660.99690.99710.99700.99730.99970.99970.99970.99970.99970.98190.95550.92140.93740.99000.93190.99730.99730.9398

Q0.06830.04280.0070.02790.00650.02590.03240.07730.11640.00760.01020.01230.01530.02050.02310.03080.04620.06160.09240.12330.11510.00860.01150.01710.03420.02280.06830.01560.0130.0130.0140.0140.0610.06870.06670.15820.12760.07910.06830.06830.3165

EndstageofdecompositionEa(β→0)kJ?mol-1745.521116.3357.71458.2440.1417881328.7611.463640.4317.7426.63513.8644.52862.4971.341298.21951.82605.53912.85220.1210.6485.21116.64179.53368.21242.43745.52981.51889.42889.42724.52724.5272.065.5ve2769.63146.91380.2745.52745.525548.3

ln(A(β→0)/

-1s)171.6263.382.08340100.9414.4310.6136.7829.573.5298.66118.9149.2208.6231.4304.3452.1600.1894119339.4711.819.9835.7884.6251.25171.6233.3213.7214166.6167.68.29veve637.4722.9322.8170.6171.61268

0.99240.99320.99230.99760.99760.9925

0.02060.02210.01030.00310.00310.0411R0.99760.99690.99590.99630.99550.99580.99650.99760.99420.99440.99460.99470.99470.99480.99480.99490.99490.99500.99500.99500.99950.99640.99680.99720.99750.99730.99760.99550.99570.99570.99620.99620.99950.9976

Q0.00310.00520.00190.00760.00250.00980.00670.00250.02350.0020.00260.00310.00390.00520.00590.00790.01180.01570.02360.03150.00040.00040.00050.00080.00150.0010.00310.00560.00490.00490.00380.00380.00010

ThekineticparametersofthermaldecompositionreactionofPHBVwithdifferentheatingratesbydifferentmechanismfunctions

InitialstageofdecompositionEa(β→0)kJ?mol-1292.32295.3868.28296.9468.66298.5296.42286.77304.7830.7643.6653.9869.4495.25108.13146.84224.23301.64456.41611.19286.1929.5842.1167.12142.1992.16292.32145.68145.27145.27144.51144.51137.65133.22128.92ve151.61ve292.32292.32

ln(A(β→0)/

-1s)67.8167.9313.7767.6413.6767.2566.6964.1768.884.587.9310.5614.4420.823.9533.351.8470.26106.9143.465.524.247.5213.8132.0719.9667.8131.631.7932.931.9832.6931.5530.7929.92ve34.59ve67.1367.81ve

R0.99800.99820.99790.99820.99800.99830.99820.99780.99850.99750.99780.99800.99810.99820.99820.99830.99840.99840.99840.99840.99770.99690.99730.99760.99790.99780.99800.99820.99820.99820.99810.99810.99740.99690.9963

4110.92

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