基于分子动力学研究纤维素在碱/脲溶液体系中的溶解行为
发布时间：2021-03-24 14:04
纤维素是地球上丰富的可再生资源,具有优良的化学稳定性、生物相容性、无毒、无污染等特性,是自然界中最具应用潜力的天然高分子材料。纤维素的溶解是将这种可再生资源有效转化为高附加值产品的关键步骤,例如纤维素衍生物（酯、醚）和再生材料（薄膜、食品包装、纤维、海绵等）等。但是,一直以来,受复杂聚集态结构和高结晶度的影响,纤维素分子内和分子间存在强的相互作用,纤维素在水或普通化学试剂中的溶解度非常低,大大限制了纤维素的应用。寻找高效、快捷、经济、环保的纤维素溶解体系成为进一步开发、利用纤维素的关键。近年来,一系列纤维素的碱/脲水溶液溶解体系吸引了人们的广泛关注,此类溶解体系不仅具有低成本、低能耗、无毒、无污染等特性,而且在纤维素的溶解过程中展现了快速、高效的特点。碱/脲水溶液体系在实验上展现了良好的纤维素溶解特性,特别是在溶解速度、溶解成本、溶剂的循环利用、环保等方面表现出了显著的优势。然而,此溶解体系仍然存在溶剂需要低温预冷、溶解度偏低等缺陷,严重限制了其在工业上的应用。特别是基于碱/脲水溶液深度开发溶解度更高的常温、快速溶解体系时,人们迫切需要对纤维素的低温快速溶解机理进行全面研究。然而,目前...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．４纤维素分子的两亲性??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｔｈｅ?ａｍｐｈｉｐｈｉｌｉｃ?ｐｒｏｐｅｒｔｙ?ｏｆ?ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ?ｍｏｌｅｃｕｌｅｓｔ２９］??
分布、不??同溶剂组分对包合物构型的影响等内容。在分子水平上增加对纤维素在水溶剂体系中溶解??机理的理解，为纤维素水溶液体系的更广泛应用提供必要的理论依据。??２．２模拟方法??基于前人的实验和理论模拟，我们利用ＣＨＡＲＭＭ３?６?Ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ力场［１３－１４］，在??ＧＲＯＭＡＣＳ?４．６．３软件包［１５］进行分子动力学计算，此章节主要研宄了单个纤维素分子在碱Ｚ??脲水溶液体系中形成的包合物构型以及包合物中不同分子间的相互作用。??２．２．１模拟体系??本文构建了如图２＿１所示的５．９５?ｎｍ?ｘ?５．９５?ｎｍ?ｘ?５．９５?ｎｍ的立方格子体系，在格子中随??机放置了?１条聚合度为８的纤维素单分子链、２６２个钠离子、２６２个氢氧根离子、３００个尿素??分子和６８１２个水分子，模拟体系中的分子组成与７?ｗｔ％ＮａＯＨ／１２?ｗｔ％尿素的实验组分相同。??■??图２．１模拟体系（Ｎａ＋、ＯＨ－和尿素分子以球棍模型显不，纤维素分子以ＣＰＫｔ旲型显不。体??系中的红色代表氧原子，灰色为碳原子，白色为氢原子，黄色为钠离子）??Ｆｉｇｕｒｅ?２．１?Ｓｅｔｕｐ?ｏｆ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｂｏｘ?（Ｔｈｅ?ｓｏｄｉｕｍ?ｉｏｎｓ，?ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ?ｉｏｎｓ?ａｎｄ?ｕｒｅａ?ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ?ａｒｅ??ｄｉｓｐｌａｙｅｄ?ｉｎ?ｂａｌｌ?ａｎｄ?ｓｔｉｃｋ?ｍｏｄｅ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ?ｍｏｌｅｃｕｌｅ?ｉｓ?ｄｉｓｐｌａｙｅｄ?ｉｎ?ＣＰＫ?ｍｏｄｅ．?Ｃｏｌｏｒｓ??ｆｏｒ?ｔｈｅ?ａｔｏｍ?ｓｃｈｅｍｅ?ａｒｅ?Ｏ：?ｒｅｄ，?Ｃ：?ｇｒａｙ，?Ｈ：?ｗｈｉｔｅ?ａｎｄ?Ｎａ：?ｙｅｌｌｏｗ．）
?山东大学博士学位论文???水分子采用ＴＩＰ３Ｐ模型心１＇尿素分子的电荷及成键参数参考了Ｗｅｅｒａｓｈｉｎｇｈｅ等人的??相关设置Ｍ１，钠离子和氢氧根离子力场参数为ＣＨＡＲＭＭ３６自带的离子参数（Ｎａ＋的电荷??为１．００，?０Ｈ？中的氧元素电荷为－１．３２，０Ｈ？中的氢元素电荷为０．３２），纤维素分子构型由??ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ－ｂｕｉｌｄｅｒ自动生成［１９］，具体分子力场结构及电荷参数见图２．２和表２．１。图２．２中标记??了纤维素分子中的羟基氧（０２、０３、０６）、糖环连接氧（０１）和糖环上的氧（０５），??表２．１为纤维素分子中各原子的电荷分布。??Ｔ???????０３?０２?Ｈ０２?？６??Ｈ０６?！??图２．２纤维素分子中吡喃葡萄糖环重复单元??Ｆｉｇｕｒｅ?２．２?Ｔｈｅ?ｒｅｐｅａｔｉｎｇ?ｕｎｉｔ?ｏｆ?ａ?ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ?ｍｏｌｅｃｕｌｅ??表２．１纤维素分子中各原子的电荷分布??Ｔａｂｌｅ?２．１?Ｐａｒｔｉａｌ?ａｔｏｍｉｃ?ｃｈａｒｇｅｓ?ｏｆ?ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ??Ａｔｏｍ?ｃｈａｒｇｅｓ?Ａｔｏｍ?ｃｈａｒｇｅｓ??＂Ｃｌ?０．３４０?０２，０３，０６?－０．６５０??Ｃ２，?Ｃ３，?Ｃ４?０．１４０?Ｏｌ?－０．６５０??Ｃ５?０．１１０?０５?－０．４００??Ｃ６?０．０５０?Ｈ０２，?Ｈ０３，?Ｈ０６?０．４２０??Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，?Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６?０．０９０??３４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]微晶纤维素对冰淇淋品质的影响[J]. 韩浩,梁琰,王凤,张勇. 食品科技. 2011(04)
[2]纤维素溶剂体系的研究进展[J]. 刘会茹,刘猛帅,张星辰,赵地顺. 材料导报. 2011(07)
[3]新溶剂法纤维素纤维的技术进展[J]. 骆强,陈功林,徐纪刚,李方全,孙玉山. 高分子通报. 2011(02)
[4]纤维素及其衍生物在食品及医药行业的开发与应用[J]. 刘涛,刘宁,方桂珍. 食品科学. 2009(15)
[5]1-烯丙基,3-甲基咪唑室温离子液体的合成及其对纤维素溶解性能的初步研究[J]. 任强,武进,张军,何嘉松,过梅丽. 高分子学报. 2003(03)
[6]分子动力学模拟的主要技术[J]. 文玉华,朱如曾,周富信,王崇愚. 力学进展. 2003(01)
[7]氰乙基纤维素的研制及探讨[J]. 顾立基. 化工新型材料. 1999(02)
硕士论文
[1]纤维素溶剂化及溶解机理研究[D]. 吴远艳.北京林业大学 2015
本文编号：3097856
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．４纤维素分子的两亲性??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｔｈｅ?ａｍｐｈｉｐｈｉｌｉｃ?ｐｒｏｐｅｒｔｙ?ｏｆ?ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ?ｍｏｌｅｃｕｌｅｓｔ２９］??
分布、不??同溶剂组分对包合物构型的影响等内容。在分子水平上增加对纤维素在水溶剂体系中溶解??机理的理解，为纤维素水溶液体系的更广泛应用提供必要的理论依据。??２．２模拟方法??基于前人的实验和理论模拟，我们利用ＣＨＡＲＭＭ３?６?Ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ力场［１３－１４］，在??ＧＲＯＭＡＣＳ?４．６．３软件包［１５］进行分子动力学计算，此章节主要研宄了单个纤维素分子在碱Ｚ??脲水溶液体系中形成的包合物构型以及包合物中不同分子间的相互作用。??２．２．１模拟体系??本文构建了如图２＿１所示的５．９５?ｎｍ?ｘ?５．９５?ｎｍ?ｘ?５．９５?ｎｍ的立方格子体系，在格子中随??机放置了?１条聚合度为８的纤维素单分子链、２６２个钠离子、２６２个氢氧根离子、３００个尿素??分子和６８１２个水分子，模拟体系中的分子组成与７?ｗｔ％ＮａＯＨ／１２?ｗｔ％尿素的实验组分相同。??■??图２．１模拟体系（Ｎａ＋、ＯＨ－和尿素分子以球棍模型显不，纤维素分子以ＣＰＫｔ旲型显不。体??系中的红色代表氧原子，灰色为碳原子，白色为氢原子，黄色为钠离子）??Ｆｉｇｕｒｅ?２．１?Ｓｅｔｕｐ?ｏｆ?ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ?ｂｏｘ?（Ｔｈｅ?ｓｏｄｉｕｍ?ｉｏｎｓ，?ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ?ｉｏｎｓ?ａｎｄ?ｕｒｅａ?ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ?ａｒｅ??ｄｉｓｐｌａｙｅｄ?ｉｎ?ｂａｌｌ?ａｎｄ?ｓｔｉｃｋ?ｍｏｄｅ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ?ｍｏｌｅｃｕｌｅ?ｉｓ?ｄｉｓｐｌａｙｅｄ?ｉｎ?ＣＰＫ?ｍｏｄｅ．?Ｃｏｌｏｒｓ??ｆｏｒ?ｔｈｅ?ａｔｏｍ?ｓｃｈｅｍｅ?ａｒｅ?Ｏ：?ｒｅｄ，?Ｃ：?ｇｒａｙ，?Ｈ：?ｗｈｉｔｅ?ａｎｄ?Ｎａ：?ｙｅｌｌｏｗ．）
?山东大学博士学位论文???水分子采用ＴＩＰ３Ｐ模型心１＇尿素分子的电荷及成键参数参考了Ｗｅｅｒａｓｈｉｎｇｈｅ等人的??相关设置Ｍ１，钠离子和氢氧根离子力场参数为ＣＨＡＲＭＭ３６自带的离子参数（Ｎａ＋的电荷??为１．００，?０Ｈ？中的氧元素电荷为－１．３２，０Ｈ？中的氢元素电荷为０．３２），纤维素分子构型由??ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ－ｂｕｉｌｄｅｒ自动生成［１９］，具体分子力场结构及电荷参数见图２．２和表２．１。图２．２中标记??了纤维素分子中的羟基氧（０２、０３、０６）、糖环连接氧（０１）和糖环上的氧（０５），??表２．１为纤维素分子中各原子的电荷分布。??Ｔ???????０３?０２?Ｈ０２?？６??Ｈ０６?！??图２．２纤维素分子中吡喃葡萄糖环重复单元??Ｆｉｇｕｒｅ?２．２?Ｔｈｅ?ｒｅｐｅａｔｉｎｇ?ｕｎｉｔ?ｏｆ?ａ?ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ?ｍｏｌｅｃｕｌｅ??表２．１纤维素分子中各原子的电荷分布??Ｔａｂｌｅ?２．１?Ｐａｒｔｉａｌ?ａｔｏｍｉｃ?ｃｈａｒｇｅｓ?ｏｆ?ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ??Ａｔｏｍ?ｃｈａｒｇｅｓ?Ａｔｏｍ?ｃｈａｒｇｅｓ??＂Ｃｌ?０．３４０?０２，０３，０６?－０．６５０??Ｃ２，?Ｃ３，?Ｃ４?０．１４０?Ｏｌ?－０．６５０??Ｃ５?０．１１０?０５?－０．４００??Ｃ６?０．０５０?Ｈ０２，?Ｈ０３，?Ｈ０６?０．４２０??Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，?Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６?０．０９０??３４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]微晶纤维素对冰淇淋品质的影响[J]. 韩浩,梁琰,王凤,张勇. 食品科技. 2011(04)
[2]纤维素溶剂体系的研究进展[J]. 刘会茹,刘猛帅,张星辰,赵地顺. 材料导报. 2011(07)
[3]新溶剂法纤维素纤维的技术进展[J]. 骆强,陈功林,徐纪刚,李方全,孙玉山. 高分子通报. 2011(02)
[4]纤维素及其衍生物在食品及医药行业的开发与应用[J]. 刘涛,刘宁,方桂珍. 食品科学. 2009(15)
[5]1-烯丙基,3-甲基咪唑室温离子液体的合成及其对纤维素溶解性能的初步研究[J]. 任强,武进,张军,何嘉松,过梅丽. 高分子学报. 2003(03)
[6]分子动力学模拟的主要技术[J]. 文玉华,朱如曾,周富信,王崇愚. 力学进展. 2003(01)
[7]氰乙基纤维素的研制及探讨[J]. 顾立基. 化工新型材料. 1999(02)
硕士论文
[1]纤维素溶剂化及溶解机理研究[D]. 吴远艳.北京林业大学 2015
本文编号：3097856
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/gckjbs/3097856.html
