本文是一篇农业论文，文章基于动力学方法模拟研究了棉纤维素在不同加载应变率下的拉伸行为，对其伸长断裂机制进行了分析。
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
随着工业文明的不断向前推进，人们对能源的需求日益增长。据报道[1]，20世纪全世界人类使用的包括煤炭、石油等在内的化石能源总和与前1900年人类消耗能源的一半对等，此外化石能源的大量消耗产生的CO2、SO2气体导致的全球性酸雨和气候变暖使地球的生态环境遭到严重破坏。越来越多的人意识到只有开发绿色、可持续的能源和材料，才可以避免资源枯竭和生态恶化带来的一系列问题，使人类长久的生存发展下去。作为地球上含量最多的可再生资源，天然纤维素一直吸引着科学家的目光。几十年来，随着科学家对纤维素的研究越加深入，使得纤维素生物燃料代替传统化石燃料成为主流能源成为可能。此外，纤维素自身优异的性能（高长径比、高强度、表面活性强），再加上可以作为反应基合成性能更加优异的复合材料，科学家们在纤维素领域的探索从未停止[2-4]。天然纤维素的主要来源就是棉花，其内纤维素含量可达到95%以上[5]。抛除棉花是天然纤维素的材料来源外，其本身也是极其重要的战略物资。棉花是纺织业的材料来源，棉纱、棉布和棉服是每个人生活离不开的必需品。轧花机加工后的籽棉根据工艺要求的不同剥出的棉绒可分Ⅰ道绒、Ⅱ道绒、Ⅲ道绒，Ⅰ道绒可用于造纸，Ⅱ、Ⅲ道绒可用于化工领域，制作电影胶片、军用火药等。剥绒后的棉籽，富含高蛋白，可作为饲料喂养牲畜，也可以用做肥料，棉油也可以作为家庭食用油。由上可以看出不论是棉花富含的纤维素还是棉花本身，对于生产活动、日常生活的正常进行是不可或缺的。新疆作为我国重要的优质棉基地，2022年棉花总产量占全国高达89.5%，占世界的21.1%，可以说已经形成“世界棉花看中国、中国棉花在新疆”的局面。2022年全国棉花种植面积为4441万亩，新疆自治区种植面积3896万亩，占比全国种植区域的87.7%。图1-1、1-2为近几年新疆棉花产量及种植面积占全国的比例，不难看出新疆的无论是棉花产量还是种植面积都在逐年提高。如何将如此数量的棉花更加高效的利用起来，而不只是简单的纺纱纺线，进而推动人们生产生活的发展，满足现代社会对高性能、可持续发展材料及绿色能源的需求，成为科研工作者亟需要解决的问题。
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1.2 研究目的及意义
资料显示[6,7]，机采棉相较于手采棉存在短绒率升高及棉纤维断裂的问题。采棉机进行工作时，采棉筒上排布的摘锭与棉花接触钩住通过旋转作用将棉花从棉桃上摘出，摘锭上的棉花经过脱棉盘脱离后，通过输棉管输送到尾仓。在这个过程中由于摘锭及其他装置对棉花的挤压、碰撞等一系列机械作用造成了机采棉相较于手工棉品质下降的问题。不单单是在采棉过程中，在后续的轧花、疏松、纺纱、纺线等机加工过程中，机械设备与棉花之间的接触都会造成棉花品质的下降，这在很大程度上限制了新疆棉花产业的长足发展。
棉花产量的大幅提升，为生产高性能、绿色的纤维素基复合材料提供充足的原料来源。但是新型纤维素基材料的开发要求对纤维素的内在理化性质有一个清晰透彻的认知。只有在全面了解的基础之上，才可以更好的开发纤维素和现有的材料（如聚乙烯醇、水性聚氨脂、聚乳酸、聚己内酯）混合的复合材料，从而达到提升材料机械强度、模量及热稳定性等性质的同时满足绿色、可持续的发展要求。
研究棉花的采摘及后续的机械加工行为造成的棉纤维断裂问题时，将机械作用造成的棉纤维断裂问题转化为拉伸断裂行为对其进行研究。运用分子动力学模拟的方法，克服实物研究中棉纤维素尺寸较小、实验结果不准确的困难，从理论上探究棉纤维在机械采摘及后续加工过程的机械拉伸断裂行为及其力学性能的影响，为进一步厘清棉花机械采收及后续棉纤维机械纺织生产加工过程中的纤维断裂行为、微观摩擦机理研究提供理论基础。同时开展棉纤维素拉伸断裂行为的研究对于了解、认知纤维素的部分内在理化性质，更好的开发高性能纤维素基复合材料是非常有必要的。
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第2章 基础理论
2.1 分子动力学概述
现在的科学研究方法大致分为三种：实验测定法、理论分析法和模拟计算法。1980年以来，随着计算机应用技术的更新迭代，模拟计算理论日益完善，模拟计算的方法逐渐被科学家所重视[28]。实验的开展都需要严格控制外界的温度、压力、湿度等，更有甚者还需要真空、无菌等各种苛刻的条件，需要很大的金钱投入才可以达到实验条件。使用模拟计算方法开展试验不需要过多的金钱投入，试验的开展只依赖于计算机。而且模拟试验相较于实物试验不但可以对研究对象进行定性的描述，还可以进行定量的测试分析，对微观尺度下的研究对象的变化进行在线监测。类似于引言中提到的棉纤维素拉伸过程中大分子间主价键的断裂这类重要的信息，实物试验只能够通过总结获取而通过计算机模拟计算可以将这些重要信息模拟出来。当开展实物试验时，如果一开始就展开大量的预试验，寻找试验最佳温度、压力及湿度等条件，会消耗大量的金钱和时间，也使得科研人员的工作量大大提高，此时先用计算机模拟计算试验的理论最佳外界条件，在此基础上展开实物试验，大大加快了科研工作者的试验进度。理论的进步为试验的开展奠定基础,试验的展开验证理论的正确，二者相互结合，更好的推进科研工作的发展。材料的外在理化性质都是由内在的分子结构来决定的，在新型材料开发过程中许多与分子结构、体系内相互作用力的变化有关的微观细节在实验中是无法观察得到的而运用计算机模拟中可以对体系内在结构的演化有一个清晰的认知。这种优点使得分子动力学模拟在开发新型材料、研究材料性能方面有着广泛应用。
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3.1 非晶棉纤维素模型的建立及优化
天然棉纤维素的聚合度在一万以上，体系包含的原子数目在二十万以上，如此大的体系对于展开分子动力学模拟所需计算机的硬件要求是极高的。而且巨大的模拟体系也会使得整个模拟周期无限延长，对于科研工作的顺利开展是极为不利的。因此对棉纤维素进行分子动力学模拟之前首要解决的问题就是构建模型的大小及其合理性。模型的大小决定了开展模拟的难度及时间需要，模型的合理性决定了后续结果的可靠性。
MAZEAU等[54]人对不同聚合度（DP）的纤维素链的性质开展了分子动力学模拟研究，结果表明聚合度对于纤维素链在模拟过程中获得的理化性质影响并不显著。WEI等[55,56]人构建了聚合度20的纤维素链，采用分子动力学方法模拟计算了纤维素的力学性能。结果表明模拟数值与实验数值基本吻合。展开分子动力学模拟之前，模型越大固然模拟结果更加精准，但会增加模拟时间，增大资源投入。利用MS软件画出棉纤维素的单体结构纤维二糖，将其定义成Repeat Unit，再利用Homopolymer模块及结合学者关于纤维素链聚合度大小的相关研究结论，建立了聚合度15、30和45的纤维素链，模拟天然纤维素链聚合度大小不一的自然状态。表3-1显示了聚合度15、30和45的纤维素链的详细信息。构建的聚合度15、30和45的三条纤维素链模型如图3-2所示。
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第3章 模型建立及优化 ............................ 22
3.1 非晶棉纤维素模型的建立及优化 ........................... 22
3.2 晶态棉纤维素模型的建立及优化 ............................ 25
3.3 不同含水率非晶棉纤维素模型的建立及优化 ..................... 26
第4章 应变率对棉纤维素拉伸行为及断裂的影响 ......................... 28
4.1 引言 ...................................... 28
4.2 不同应变率下非晶棉纤维素的应力应变行为 ..................... 29
4.3 不同应变率下非晶棉纤维素拉伸变形机制分析 ..................... 31
第5章 含水率对棉纤维素拉伸行为及微观特性的影响 ............... 35
5.1 引言 .............................. 35
5.2 不同含水率下非晶棉纤维素的应力应变行为 .......................... 36
5.3 体系的自由体积变化 ........................... 39
第5章 含水率对棉纤维素拉伸行为及微观特性的影响
5.1 引言
在纤维素材料及纤维素基复合材料的实际应用中，由于环境湿度引起的的材料稳定性降低和性能下降是不可避免的。棉纤维素晶体区域分子间和分子内相互作用大，水分子只能吸附在其表面，对纤维素的性质没有影响[69]。但是水分子很容易与纤维素链非晶区域上暴露的羟基（O2和O3）和羟甲基（O6）之间形成氢键作用，导致水分子聚集在纤维素链周围，破坏了纤维素链的原始结构，导致材料使用过程中的可靠性和使用性能的降低[24]。现有的研究致力于从氢键的角度解释含水情况下纤维素材料的降解[25,26]。然而，在MALIN看来，氢键只是纤维素体系中几种相互作用中的弱力之一，纤维素材料性质变化的内在原因不能完全归因于体系内氢键的变化，研究的重点应从氢键方面抽离出来一部分放到其他方面。MAZEAU[69]构建了不同水含量的无定形纤维素复合模型，研究了水分子的聚集状态、水分子的迁移率以及水的存在对纤维素玻璃化转变温度的影响。他们发现纤维素体系中水的存在状态从单一到聚集成簇，然后形成连续的通道。当纤维素体系中的含水量由0.83%增加到18.14%时，水分子的团聚现象导致水的扩散系数从1.08×10-11 m2s-1下降到0.13×10-11 m2s-1。DAN等[70]人使用分子动力学模拟研究了水分子对纤维素机械性能的影响。随着含水率的增加，纤维素的亲水位点已被完全占据，水分子更多地以游离水的形式存在。自由水强大的扩散能力很大程度上破坏了纤维素链的稳定结构，形成塑化效应，使纤维素体系的弹性模量和剪切模量分别降低31%和26%。这些学者的工作为研究水分造成的纤维素材料性能下降的问题提供了新思路，不再只是将关注点放到氢键作用上。对含水率造成纤维素性能降低的研究对纤维素材料的进一步发展有重要意义。有必要在分子水平上报告纤维素链和水的运动以及水聚集的状态，以更好地认知纤维素在水分子存在下的机械降解行为。
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第6章 结论与展望
6.1 结论
为了厘清棉花在机械作用下的拉伸断裂行为及对棉纤维素内在性质有一个更清楚认识。基于动力学方法模拟研究了棉纤维素在不同加载应变率下的拉伸行为，对其伸长断裂机制进行了分析。接着针对纤维素及纤维素基材料在使用过程中因为环境湿度存在不可控形变和性能退化的问题，建立不同含水率的棉纤维素非晶模型，研究了含水率对纤维素力学性能及其微观特性的影响。以上这些研究为人们更好的开发新型纤维素基材料及高效使用纤维素基材料提供了理论基础。得到了以下结论：
（1）棉纤维素非晶体系在3种应变率下的拉伸过程中，表现的力学性能与应变率之间存在显著的正相关关系。
（2）纤维素非晶体系在拉伸过程中表现出塑性特性，分子链伸长而未发生断裂。不同应变率下，模拟体系拉伸伸长的原因不同。在应变率为10-4 /ps时，分子内键长、键角和二面角的变化是体系拉伸伸长的主要原因，而在10-5 /ps和10-6 /ps的较小应变率下，键长变化对体系伸长的贡献较小。在相同的拉伸长度下，纤维素链失效发生在结晶区，表现为纤维素链的滑移和重排。而且较低的应变率会导致拉伸结束后的晶体结构更为松散。
（3）水分子对纤维素的影响并不总是负面的，在模拟试验中，当含水率为4%时，体系的力学性能性能最为优异。弹性模量和剪切模量分别比干纤维素提高了7.6%和9.4%，达到了11.79 GPa和4.75 GPa.
（4）通过模拟含水率对纤维素体系自由体积、玻璃化温度、均方位移等微观特性的影响，得出纤维素体系在含水率为4%时表现出的综合性能更为优异。这一结论为纤维素及纤维素基材料的更好应用提供了理论基础。
参考文献（略）