覃星添,胡殿赫,秦利明,吴朝军,陈业红.基于分子动力学的纤维素在氯化胆碱/尿素中的溶解行为模拟研究[J].中国造纸,2025,44(7):24-32 本文二维码信息
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基于分子动力学的纤维素在氯化胆碱/尿素中的溶解行为模拟研究
Simulation Study of Dissolution Behavior of Cellulose in Choline Chloride/Urea Based on Molecular Dynamics
收稿日期：2024-12-03  修订日期：2025-03-03
DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2025.07.003
关键词:  纤维素  低共熔溶剂  分子动力学  氯化胆碱  尿素
Key Words:cellulose  deep eutectic solvent  molecular kinetics  choline chloride  urea
基金项目:2024年山东省自然科学基金面上项目（ZR2023MC130）；齐鲁工业大学2023年重点教学研究项目（QL2023ZD03）；齐鲁工业大学2023、2024年研究生教育教学改革项目（YJG23ZD003）。
作者单位邮编
覃星添* 齐鲁工业大学（山东省科学院）绿色造纸与资源循环全国重点实验室, 山东济南,250353
齐鲁工业大学（山东省科学院）轻工学部,山东济南,250353 		250353
胡殿赫 齐鲁工业大学（山东省科学院）绿色造纸与资源循环全国重点实验室, 山东济南,250353
齐鲁工业大学（山东省科学院）轻工学部,山东济南,250353 		250353
秦利明 齐鲁工业大学（山东省科学院）绿色造纸与资源循环全国重点实验室, 山东济南,250353
齐鲁工业大学（山东省科学院）轻工学部,山东济南,250353 		250353
吴朝军* 齐鲁工业大学（山东省科学院）绿色造纸与资源循环全国重点实验室, 山东济南,250353
齐鲁工业大学（山东省科学院）轻工学部,山东济南,250353 		250353
陈业红 齐鲁工业大学（山东省科学院）绿色造纸与资源循环全国重点实验室, 山东济南,250353
齐鲁工业大学（山东省科学院）轻工学部,山东济南,250353 		250353
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摘要:本研究采用模拟计算方法研究了氯化胆碱/尿素低共熔溶剂（DES）体系与纤维素微晶纤维相互作用的过程，旨在探讨其对纤维素结晶区发生的动力学行为。通过模拟探究了DES体系中纤维素分子间和分子内的氢键变化过程和规律。使用Cellulose Builder对纤维素建模，利用Gromacs软件进行了溶解体系动力学模拟。结果表明，氯化胆碱/尿素体系破坏了纤维素晶体中纤维素之间原有的氢键网络结构，纤维素晶型有一定程度的溶解，其中尿素起到了主要的作用，并且DES对分子内氢键的破坏程度大于分子间氢键，分子内氢键O2-H---O6下降2.7个百分点；分子内氢键O3-H---O5下降0.8个百分点；而分子间氢键O6-H---O3下降0.6个百分点。氢键破坏主要发生在纤维素表面的羟基上，重建的氢键网络最后趋于稳定，形成稳定的纤维素包合体结构。
Abstract:In this paper， the interaction between choline chloride/urea deep eutectic solvent （DES） system and cellulose crystalline fibers was studied by simulation method， in order to explore its kinetic behavior on the crystalline region of cellulose. The changing process and regularity of intermolecular hydrogen bonds and intramolecular hydrogen bonds of cellulose in the DES system were investigated through the simulation. Cellulose Builder was used to model cellulose and the dissolution kinetics were simulated under Gromacs software. The results showed that the choline chloride/urea DES system destroyed the original hydrogen bond network structure between cellulose fibers in cellulose crystal region， and the cellulose crystal region had a certain degree of dissolution， in which urea played a major role， and the destruction of intrachain hydrogen bonds was greater than that of the interchain hydrogen bonds. The intramolecular hydrogen bond O2-H---O6 decreased by 2.7 percentage points， the overall decrease of intramolecular hydrogen bond O3-H---O5 was 0.8 percentage points， while the overall decrease of the intermolecular hydrogen bond O6-H---O3 was 0.6 percentage points. The destruction of hydrogen bonds mainly occurred on the hydroxyl group on the surface of cellulose. The reconstructed hydrogen bonding network eventually stabilized， resulting in a stable cellulose inclusion structure.
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