纺织学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (10): 1-7.doi: 10.13475/j.fzxb.20210604807

• 纺织科技新见解学术沙龙专栏: 纤维原液着色关键技术及其产品 •    下一篇

基于分子模拟预判Lyocell纤维原液着色体系中溶剂的稳定性

靳宏1, 张玥1,2, 张玉梅1,2(), 王华平1,2   

  1. 1.东华大学 材料科学与工程学院, 上海 201620
    2.东华大学 纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
  • 收稿日期:2021-06-21 修回日期:2021-07-12 出版日期:2021-10-15 发布日期:2021-10-29
  • 通讯作者: 张玉梅
  • 作者简介:靳宏(1993—),男,博士生。主要研究方向为纤维素纤维功能化。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(51773032)

Predicting stability of solvent in dope-dyed Lyocell solution based on molecular simulation

JIN Hong1, ZHANG Yue1,2, ZHANG Yumei1,2(), WANG Huaping1,2   

  1. 1. College of Material Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China
    2. Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials, Donghua University, Shanghai 201620, China
  • Received:2021-06-21 Revised:2021-07-12 Published:2021-10-15 Online:2021-10-29
  • Contact: ZHANG Yumei

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摘要：

为探索原液着色法制备Lyocell纤维过程中颜料对溶剂N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)稳定性的影响,针对传统实验分析测试方法的局限性,采用分子模拟计算的方法研究了金属氧化物、碳材料、有机分子晶体三大类代表性颜料表面与NMMO之间的相互作用,根据NMMO分子中N—O键的平衡键长变化以及O—N—C键键角的变化,说明NMMO水溶液在二氧化钛、碳黑、颜料红、靛蒽醌颜料存在下,化学结构基本不变;而在三氧化二铁、酞菁铜颜料存在的情况下,N—O键的平衡键长明显变长,存在化学键断裂的风险,且这一结果与已有的实验结果相吻合,并且说明分子模拟方法可快速预判颜料对NMMO稳定性的潜在影响。

关键词: 原液着色, Lyocell纤维, 分子模拟, 溶剂, 颜料, 稳定性

Abstract:

In order to study the influence of pigment on the stability of solvent N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO) in the preparation of dope-dyed Lyocell fibers, the interaction between NMMO and three representative pigments including metal oxide, carbon material, and organic molecular crystal was studied by molecular simulation in view of the limitations of traditional experimental testing methods. According to the change of N—O equilibrium bond length and O—N—C bond angle of NMMO molecule, the chemical structure of NMMO aqueous solution remains basically unchanged in the presence of titanium dioxide, carbon black, pigment red and indoanthraquinone. Nevertheless the equilibrium bond length of N—O bond obviously becomes longer in the presence of Fe2O3 and copper (II) phthalocyanine, predicting the risk of chemical bond breakage, which is consistent with the existing experimental results. It indicates that molecular simulation method can quickly predict the potential influence of pigments on the stability of NMMO.

Key words: dope-dyed fiber, Lyocell fiber, molecular simulation, solvent, pigment, stability

中图分类号: 

  • TQ341.9

图1

不同力场下NMMO分子的优化结果 注:碳—灰色,氧—红色,氮—蓝色。"

表1

NMMO分子中各原子的电荷分配"

原子 点电荷(COMPASS)/e 文献[16]点电荷(CHARMM)/e
O1 -0.643 -0.67
O2 -0.320 -0.50
N 0.253 0.44
C(C—O2) 0.154 0.24
C(C—N) 0.024 -0.11
C(CH3) -0.290 -0.33
H 0.053 0.06

表2

NMMO分子中各化学键键长"

化学键 键长(COMPASS) 文献[15]键长(XRD)
N—O1 0.137 8 0.138 3
N—C 0.147 9~0.148 7 0.149 9~0.148 7
C—O2 0.142 5 0.142 1
C—H 0.109 9~0.110 7 0.10~0.11

图2

不同质量分数NMMO水溶液模型的模拟结果"

表3

NMMO水溶液模拟结果中每个水分子和NMMO分子平均氢键数量"

NMMO质量分数/% 水-水①氢键/个 水-NMMO②氢键/个
10 1.42 2.54
30 1.33 2.36
50 1.26 2.15
87 0.62 1.25

图3

NMMO分子与颜料晶面间相互作用模型(初始结构)"

图4

50%NMMO水溶液/颜料晶面相互作用模型模拟结果"

图5

NMMO分子在363 K下的N—O键键长分布"

表4

不同颜料表面对NMMO分子中C—N键键长的影响"

颜料 C—N键长/nm
TiO2 0.150 4
CB 0.149 1
Fe2O3 0.148 8
P.R.255 0.149 6
酞菁铜 0.150 9
靛蒽醌 0.149 9

图6

不同颜料晶体表面对NMMO分子中N—O键键长分布的影响 (a) TiO2; (b) CB; (c) Fe2O3; (d) P.R.255; (e) Copper (II) phthalocyanine; (f)Indoanthraquinone 注:统计分子数为50个;温度为363 K。"

图7

不同颜料晶体表面对NMMO分子中O—N—C键键角的影响"

图8

不同颜料表面/50%NMMO水溶液界面模拟结果中氧原子摩尔分布"

图9

50%NMMO水溶液与CB表面之间的界面结构示意图 注:碳—灰色;氧—红色;氮—蓝色。"

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