氨分子对纤维素Iβ性能影响的分子动力学模拟.pdf

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1、第2期高分子学报No．22014年2月ACTAPOLYMERICASINICAFeb．．2014氨分子对纤维素性能影响的分子动力学模拟黄双孙以泽徐洋孟婢(东华大学机械工程学院上海201620)摘要以纤维素为研究对象，通过分子模拟的方法，分别对其在有氨环境和无氨环境下的性能变化进行了仿真分析，主要包括对纤维素末端距、氨分子的扩散运动及氨分子与纤维素的氢键作用的研究．结果表明：氨分子的加入使得纤维素链的末端距增大，改善了纤维素链的柔顺性，合理的解释了“液氨整理可以用来改善棉麻纤维的柔顺性”的普遍共识；氨分子在纤维素中的均方位移和扩散系数随着温度的提高而变大，温度从29

2、8K升高到398K，氨分子的扩散系数增大87．8％，所以液氨整理过程中相应升高温度可以减少浸泡时间，提高生产效率；氨分子与纤维素形成的氢键，使得系统内的氢键总数增加，纤维素链内氢键数基本不变，但削弱了纤维素链间的氢键作用，加剧了纤维素链的运动，体现出良好的溶胀性能．关键词纤维素，分子动力学，柔顺性，扩散，氢键随着经济快速发展，人们越来越偏爱具有优良纤维素性能变化，但氨分子与纤维素之间的穿着服用性能的天然纤维．天然纤维的棉麻织物虽微观机理至今还没有得到清楚的解释．而分子动然有很多优点，如自然舒适、吸湿性好等，但起皱和力学模拟技术的发展为研究上述问题提供了新的缩水等缺

3、陷却制约了棉麻产品高档化的发展．研究思路和方法．本文将利用分子动力学模棉麻纤维中，纤维素是其重要组成部分，是地拟，分析氨分子对纤维素的性能影响研究，探球上最丰富、储量最大的可再生资源¨．至今发究氨分子与纤维素的作用机理．现，固态下的纤维素存在5种结晶变体：纤维素1建模及仿真I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，X，V．纤维素I是天然存在的纤维素形式，包括细菌纤维素、海藻和高等植物细1．1建立模型胞中存在的纤维素．纤维素I存在两种不同的结根据Nishiyama¨给出x衍射和中子衍射实晶相——I和：I晶胞是三斜晶胞模型，主要验数据，纤维素晶胞参数如下：a=0．7784nm，存在于细菌纤维素

4、中；而是单斜晶胞模型，主b=0．8201nm，c=1．038nm，=96．5。，空间群为要存在于高等被子植物和动物纤维中’．由于P21．采用MaterialsStudio(MS)5．5分子模拟软棉麻纤维主要来源于高等被子植物，故本文取纤件包对纤维素晶胞进行建模，可获得如图1所维素作为研究对象．示的纤维素晶胞模型．图1中，纤维素晶胞液氨整理是棉麻改性的一种重要方式．液氨模型包括4条角链和1条中心链．为了分析氨分整理后，棉麻纤维的天然转曲基本消除、截面变子对纤维素性能的影响，取纤维素的5条圆、内腔变小、表面平滑，性能上表现为纤维及织链，每条链包括6个晶胞单元，并利用A

5、morphors物的尺寸稳定，柔软性好，缩水率变小¨．而氨分Cell模块建立两个模型：有氨环境和无氨环境，目子的行为(如扩散速率、扩散过程中的相互作用)标密度为1．5g·cm¨，所建模拟体系如图2所都会影响到纤维素晶型的转化，进而可能影响织示．物的柔软性、尺寸稳定性等，故研究氨分子对纤维1．2力场素性能影响是十分重要的．1．2．1力场的选择虽然很多学者从实验的角度揭示了氨作用后力场是分子动力学模拟的基础，计算的结果2013-05—29收稿，2013-08-15修稿；国家自然科学基金(基金号51175075)和长江学者和创新团队发展计划(项目号IRT1220)资助{

6、通讯联系人，E—mail：sunyz@dhu．edu．Clfldoi：10．3724／SP．J．1105．2014．13185高分子学报Table1ThermalexpansioncoefficientsMaxwel1分布取样，温度控制采用Andersenis]热素链的构象产生了很大的影响，使得纤维素链的浴法，压强采用Berendsen¨控制方法，静电相互卷曲程度降低．这个结论不仅可以合理的解释作用采用Ewald⋯加和方法，范德瓦尔斯作用采“液氨整理可以用来改善棉麻纤维的柔顺性”的用Atombased计算方法，整个模拟退火过程30×普遍共识，与实际情况相符合，同时

7、也间接证明了l0步．经过这一系列优化后，体系中的能量达到分析结果的正确性．最小值，内部应力减小，体系得到收敛，局部不合理结构基本消除．上述模型优化后，采用粒子数、压强、温度一定的NPT动力学模拟，模拟时间为500ps，每隔0．25ps收集一次体系内各原子的动力学运行轨迹以用来分析．模拟步长的选取决定模拟的时间和准确性：太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞，体系数据溢出；太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力．参考国内外文献，将步长设置为1fs．由于范德瓦尔斯作用力在原子相距0．9nm以上贡献较小，本论文为了保证精Fig．4Thedistributionofe

8、nd-to