塑料包装材料内的小分子物质扩散系数模型

试验表明,基于Fick扩散定律可对塑料包装材料内小分子物质向食品(模拟物)的迁移进行模拟预测。但无论是扩散模型的解析解或数值解,模型动力学控制参量扩散系数DP都必须是已知或可求的。近年来,开发高效实用的扩散系数预测模型成了迁移研究的一个重点方向。文中就四个常用的扩散系数模型作了分析比较。     

聚合物中小分子扩散的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)方法,以研究低聚体在聚甲基丙烯酸甲酯中的扩散为例,通过分析高分子链长、低聚体含量、聚合度和温度对扩散系数的影响,揭示小分子在聚合物中扩散过程.通过比较扩散系数的模拟值与实验值,发现两者比值在4左右.为获得小分子在聚合物中的扩散系数提供了一种较好的方法.     

塑料食品包装材料添加剂迁移的数值模拟

应用有限元法建立塑料包装材料添加剂向食品迁移的数学模型和计算仿真模型.以BHT向模拟食品(酒精)的迁移为例,分析了塑料包装材料在共挤和储存过程以及溶胀情况下添加剂的扩散.建立的模型可用来预测混合边界条件下的添加剂迁移,给出了食品包装中添加剂迁移的解决方案,简化了迁移的研究手段.     

迁移预测模型中扩散系数的研究

详细介绍了3种典型的半经验化的扩散系数公式,分析其使用范围和局限性.同时,对通过直接计算机模拟得到扩散系数的分子动力学方法进行介绍.与半经验的扩散系数方程相比,分子动力学方法直接地给出了小分子在聚合物中的扩散系数,而且揭示了影响扩散的分子机理.     

抗菌塑料包装的应用及安全评估研究进展

目的 介绍抗菌剂在塑料包装中的应用及国内外的研究进展,阐述抗菌剂在改善包装材料抗菌性能方面的作用机理及优缺点,并重点关注抗菌剂在塑料包装材料领域中的安全性评估。方法 总结国内外抗菌剂在塑料包装材料领域的研究现状,简单介绍抗菌剂分类和抗菌塑料的制备方法,并重点整理分析抗菌剂在塑料包装材料领域的应用和进展,讨论塑料中抗菌剂在安全方面的问题。结果 虽然塑料包装中的抗菌剂能够提高包装材料的抗菌性能,但同时也可能在与食品接触的过程中迁移到食品中;对抗菌塑料中抗菌成分的迁移机理进行了深入研究,有助于人们认识食品接触材料的安全性和更好地发展食品接触材料。结论 抗菌塑料包装在应用中既要为包装材料提供抗菌性,还需要保证其安全性。     

3种聚烯烃抗氧剂在不同食品模拟物内的不稳定性试验研究

塑料包装材料内存在大量小分子化学物,它们发生迁移后在食品(模拟物)内存在不稳定现象.迁移物在食品(模拟物)内的不稳定性,将直接影响迁移试验结果的准确性和可靠性,同时引发新的化学物毒物学等多方面的问题.试验研究了3种聚烯烃抗氧剂在多种不同食品模拟物内的不稳定性,为今后进一步考察对迁移试验结果的影响提供参考.     

PET/PLA共混物中小分子扩散行为的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟方法研究了O2、CO2小分子在不同质量比(90/10、70/30、50/50、30/70和10/90)聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/聚乳酸(PLA)共混物中的扩散行为,基于Einstein关系式计算了小分子在共混物中的扩散系数。讨论了不同探针半径对自由体积分数(FFV)的影响以及自由体积分数与扩散系数的关系。研究结果表明,探针半径越大,自由体积分数越小;扩散分子的动力学半径越小,在同一比例PET/PLA共混物中的扩散系数越大,与自由体积理论取得统一。当PET/PLA共混物质量比为70/30时共混物的阻隔性能最好。     

食品用包装材料中食品模拟物的研究

综述了塑料包装材料中化学物质向食品迁移的研究,国内外关于食品模拟物的选择及其适用性的研究进展.     

食品塑料包装材料安全性及检测方法的探讨

近年,残留在包装材料中的有毒有害物质迁移到食品中而对人体健康造成危害的现象逐步受到人们的关注。现代生活中的塑料包装及塑料和其它材料复合包装所占比例甚大,因此开展对食品塑料包装中污染物含量测定方法和迁移现象及其特性的研究具有迫切的现实意义。本文在查阅了近期相关研究资料的基础上,探讨了食品用塑料包装材料中污染物的来源、毒性、含量及迁移量的分析检测方法。探索更快速、简单、高效的污染物检测的前处理方法将是今后的研究重点。     

再生聚乙烯中挥发性气味物质扩散的分子动力学模拟

再生聚乙烯中挥发性气味物质的迁移是其用于食品包装的潜在风险之一。本研究使用分子动力学模拟的方法探讨了再生聚乙烯中甲苯、2,4-二甲基庚烷、α-蒎烯、柠檬烯、二苯醚和α-异甲基紫罗兰酮六种挥发性气味物质在不同温度下的扩散行为。通过气味物质分子的均方位移曲线计算了它们的扩散系数，并与实验值和Limm-Hollifield模型值进行了比较。从气味物质的拓扑结构参数、与聚乙烯的相互作用能、扩散活化能以及运行轨迹等方面分析它们的扩散行为。结果表明，这六种挥发性气味物质的扩散受多种因素综合影响。具有较大分子体积和回旋半径以及结构为球型的分子运动较为困难，因此有较小的扩散系数；当气味物质分子的溶解度参数与聚乙烯相近时，两者的相容性较好，分子也不容易扩散。从能量角度来说，气味物质与聚乙烯的相互作用能及其扩散活化能越大，分子运动所需的能量越大，扩散过程越缓慢。同一种物质在不同温度下的运动轨迹表现为长时间的振动与短时间的跳跃，但是在高温下的运动范围较大，轨迹点呈现明显的团簇。     

抗氧化剂从聚丙烯向食品模拟液中迁移的深层影响因素研究

目的研究影响有害物质向食品中迁移的因素,以有效预测包装材料对食品的污染风险。方法研究温度、模拟液的溶解度参数和抗氧化剂的相对分子质量分别对抗氧化剂BHA,BHT,1076和168从聚丙烯向乙醇模拟液中迁移焓变、分配系数和扩散系数的影响,并把Scatchard-Hilderbrand热力学理论模型预测的平衡分配系数(D_(r0))与实验值(D_r)进行比较分析。结果 4种抗氧化剂从PP向无水乙醇中迁移的平衡分配系数对数(ln D_r)、扩散系数对数(ln D_f)与温度倒数(1/T)成直线关系,符合吉布斯-亥姆霍兹方程和阿累尼乌斯方程,迁移为吸热反应,焓变随抗氧化剂相对分子质量的增大而减小,扩散系数随着相对分子质量和模拟液溶解度参数的减小而增大。同时,抗氧化剂从聚丙烯中迁移到不同溶解度参数模拟液中的平衡分配系数(模拟液质量浓度/塑料质量浓度)实验值,与Scatchard-Hilderbrand热力学理论模型计算值随模拟液溶解度参数的变化趋势基本一致。结论模拟液与PP的溶解度参数越接近,抗氧化剂初始迁移扩散系数越大,抗氧化剂相对分子质量对迁移扩散系数的影响越小,4种抗氧化剂从PP中迁移平衡分配系数变化符合Scatchard-Hilderbrand热力学理论模型。     

Molecular dynamics simulation on diffusion of 13 kinds of small molecules in polyethylene terephthalate

Understanding the diffusion of migrants in polyethylene terephthalate (PET) and calculating the diffusion coefficients are very important for migration research. In this study, the diffusion coefficients of 13 kinds of small molecules with molecular weights ranging from 32 to 339 g/mol in amorphous PET are calculated based on molecular dynamics (MD) simulation. By comparison of diffusion coefficients simulated by MD simulation techniques, predicted by the Piringer model and by experiments, the accuracy of the Piringer model and MD simulation techniques for the estimation of diffusion coefficients of migrants in PET is evaluated. The MD simulation shows that D_simu is very close to D_exp, within one order of magnitude of the experimental diffusion coefficients except for a few samples. The possible reasons for the differences among D_simu, D_pred and D_exp are analysed from the molecular weight and temperature. The results show that the Piringer‐model‐predicted values at high temperatures overestimate significantly higher than that at lower temperatures. The activation energy is calculated by the Arrhenius equation, which shows the relationship between diffusion coefficient and temperature. It is shown that the MD simulation yields acceptable activation energy. The study suggests that MD simulation may be a useful approach to calculate the diffusion coefficients of small molecules in PET. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Thymol在不同分子链长度塑料膜中的释放动力学模拟

目的利用分子动力学模拟并分析不同PVA分子链长度下thymol的释放过程和释放机理。方法研究基体为聚乙烯醇(PVA),添加抗菌剂thymol共建PVA/thymol聚合物模型,进行分子动力学模拟,分别从均方位移、扩散系数、自由体积角度研究分子链长度分别为40,80,160下thymol在PVA聚合物中的释放过程。结果 thymol分子在PVA中的自由体积分数会随着分子链长度的增加而减小,thymol分子在PVA中的扩散系数也会相应减小,这是因为分子链越长,分子间的相互作用力越大,束缚了链的运动性。结论不同分子链长度对于包装材料抗菌剂中的释放具有重要影响。在同等条件下,短链结构中thymol分子在PVA中容易释放,且做缓慢蠕动运动而非跳跃扩散运动。     

Thymol在不同醇解度PVA/thymol膜中的释放动力学模拟

目的利用分子动力学定性定量地探讨PVA醇解度对thymol释放过程的影响,尝试从微观角度直观地展示thymol在PVA/thymol新型抗菌包装膜中的释放过程,揭示微观释放机理。方法利用Material Studio软件构建不同醇解度的PVA/thymol体系,模拟thymol分子动态释放过程,分别从高分子链运动性、自由体积分数以及扩散系数等角度对比分析thymol在不同醇解度PVA体系中的释放过程。结果 thymol分子在完全醇解的PVA体系中的扩散系数最小,醇解度为88%的体系中最大,醇解度为78%的次之;thymol分子在PVA体系中作缓慢蠕动而非跳跃运动。结论基质材料醇解度的差异对包装材料中抗菌剂的释放过程有较大影响。     

分析食品包装材料迁移模型中的扩散系数

在食品包装材料化合物的迁移模型中,扩散系数是决定模型预测性的重要参数之一.介绍了Piringer聚合物通用模型和Vrentas-Duda自由体积理论模型两种预测扩散系数的模型公式,并分析讨论了两模型中的相关参数和扩散系数的影响因子(如温度、分子结构、多组分等).同时,总结了实验用以测量扩散系数的4种方法,如核磁共振法等.与实验方法相比,模型预测更为节约、方便.     

Investigation in Influence of Types of Polypropylene Material on Diffusion by Using Molecular Dynamics Simulation

Polypropylene (PP) and its copolymers are widely used in food packaging films and containers. This paper investigates the diffusion of limonene as a low molar mass compound through three types of polypropylene materials (PP‐H, PP‐B and PP‐R) by using the molecular dynamics method, evaluates the influence of types of polypropylene material on the diffusion behaviour of limonene and reveals the diffusion mechanism. The diffusion coefficients of limonene in PP‐H, PP‐B and PP‐R are obtained at 313K and 353K. The accessible free volumes for polymers PP‐H, PP‐B and PP‐R are calculated by using the probe radius r_p = 0.09, 0.11, 0.128 and 0.209 nm, respectively. The results suggest that not only the amount of accessible free volume in PP‐R cell model is larger than that of PP‐H and PP‐B but also the free volume in PP‐R connects together to form some larger free volume clusters. The movements of the limonene molecules through the PP‐H, PP‐B and PP‐R cell models at different simulation time suggest that for a long time the limonene molecules squirm slowly in the polymer cell rather than jumping and that the hopping diffusion is not suitable to explain the diffusion of limonene in polypropylene. The movement trajectories of the limonene molecules in PP‐R indicate that the movements of limonene in PP‐R are more active than that in PP‐H and PP‐B. The paper reveals the diffusion dynamics process and microscopic mechanism of small molecules from different types of polypropylene. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Point defects and their clusters in bcc metals

Recently Doyama and Kogure have developed new EAM potentials of bcc metals (DK_EAM). The validity of DK_EAM potential of Fe and V is examined by calculating a thermal expansion coefficient, a phonon dispersion and properties of point defects. In Fe, a calculated thermal expansion coefficient is negative and its absolute value is much smaller than that of experimental data. The phonon dispersion relation shows fair agreements at several branch. The calculated density of state of phonon shows a lack of a peak at high frequency determined experimentally. In V, the thermal expansion coefficient is negative and the crystal volume decreases significantly during a molecular dynamics (MD) simulation at 1200 K. This means that the embedding energy and the repulsive pair potential are not calculated correctly at the position which deviates from the stable site of atoms. We calculate the property of point defects in Fe. The relaxation volume of vacancies in Fe is very small which leads to the void formation as a vacancy cluster grows to a larger cluster. A MD simulation shows that two atoms in interstitial clusters approach very closely. This suggests the repulsive pair potential in DK_EAM is weak. By combining the pair potential of DK_EAM with the classical pair potential, the DK_EAM is modified. The results are compared with the previous calculation and the experimental data.