棉纤维素拉伸过程中微观特性的分子动力学研究

作     者：姜开翔 

作者单位：塔里木大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张有强

授予年度：2023年

学科分类：082903[工学-林产化学加工工程] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：棉纤维素 微观特性 拉伸断裂 分子动力学 

摘      要：新疆是我国最重要的棉花生产基地,棉花在机采及后续的加工过程中,由于机械装置的挤压、摩擦作用,会出现棉纤维拉伸断裂的问题,降低了棉花及棉制品的品质,这在一定程度上制约了新疆棉花的长足发展。另外,随着工业化的快速推进,人们对于高性能、绿色复合材料的需求愈加强烈,但是大多数已有的高性能纤维素基复合材料仅将纤维素作为增强基使用,这无疑限制了纳米纤维素在结构和性能上的优势发挥,需要对纤维素的内在理化性质进行探究以期开发新型复合材料。且纤维素材料在使用过程中因环境水分引起的性能退化问题是应用过程中不可忽视的。文章采用数值模拟的方法对棉纤维在机械采摘及后续加工过程中的拉伸断裂行为及其对力学性能的影响进行研究,结果为厘清棉花机械采收及纺织生产加工过程中的纤维断裂机制、微观摩擦机理提供理论研究基础。同时对棉纤维素含水体系中纤维素链和水的运动状态、聚集状态及微观特性演变进行研究以更透彻的了解棉纤维素在水分子存在下的性能降解行为,将纤维素及纤维素基复合材料更加有效的运用到生活生产中。主要研究内容及结果如下:(1)运用Material Studio软件根据文献数据对棉纤维素非晶体系、晶体体系及含水纤维素非晶体系进行模型构建,在初始模型基础之上对体系进行能量优化,使其结构达到稳定,接近棉纤维素的天然真实状态。(2)对棉纤维素体系在3种应变率(10/ps、10/ps和10/ps)下的单轴拉伸行为进行分子动力学模拟,得到棉纤维素体系在不同应变率下的应力-应变响应曲线。分析拉伸过程中应变率的大小对棉纤维素拉伸断裂机制的影响。动力学仿真结果表明,棉纤维素无定形体系的力学性能随着加载应变率的增加而增大。与应变率10/ps相比,在应变率10/ps时,体系的弹性模量增加了6.73GPa。在拉伸过程中,棉纤维素无定形区域主要通过大分子链的拉伸变形来适应外加的负载,即键长和键角的变形,分子链并未出现断裂。不同应变率下非晶纤维素链条延伸变长的主要原因是不同的。在相同的拉伸长度下,棉纤维素的失效发生在晶体区域,由晶体结构中部分分子链的滑移和重排引起的。(3)探究了含水率对棉纤维素非晶体系拉伸行为及微观性能的影响,包括棉纤维素非晶体系的拉伸力学性能、自由体积、扩散系数、玻璃化温度及纤维素上的首选水化位点的吸附顺序的变化。结果表明:体系力学性能随含水率的增加先升高后降低,当含水率为4%时,棉纤维素的力学性能最好,弹性模量和剪切模量分别比干纤维素提高了7.6%和9.4%。在含水率为4%时,体系的自由体积最小,其值为697.79(?),相较于含水率0%时的1476.97(?)下降了52.76%。表明纤维素链的活动能力在降低,使得纤维素链条的刚性增强。系统中水的均方位移和扩散系数受水分子聚合状态和自由水含量的影响。与干纤维素相比,含水率为4%的体系的玻璃化温度提高了72 K。在研究的整个含水率范围内,与醚基O4和O5相比,棉纤维素链上的羟基O2,O3和O6在与水的反应中占据主导地位。在含水率为4%的体系中,苷键O4周围的水分子量最少,对棉纤维素原始结构造成的破坏最小。