纤维素纳米晶须、合成纤维、水泥基复合材料及增强方法技术

本发明专利技术属于纤维表面改性和修饰技术领域，公开了纤维素纳米晶须、合成纤维、水泥基复合材料及增强方法。所述官能化纤维素纳米晶须，是通过量子化学计算、分子动力学模拟以及机器学习优化设计表面官能团，形成表面活性更佳的纤维素纳米晶须。本发明专利技术提供的官能化纤维素纳米晶须，具有较大的比表面积和反应活性以及与水泥基材料最优的吸附性能。它会促进水泥水化，提高水泥基材料的密实度、力学和耐久性能。官能化纤维素纳米晶须可以作为偶联剂改善纤维与水泥基体间的粘结。本发明专利技术官能化纤维素纳米晶须的存在为纤维表面提供了化学活性，改变了纤维表面的化学特性，更有利于提高界面结合力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
纤维素纳米晶须、合成纤维、水泥基复合材料及增强方法


[0001]本专利技术属于纤维维表面改性和修饰
，尤其涉及纤维素纳米晶须、合成纤维、水泥基复合材料及增强方法。

技术介绍

[0002]为了解决纤维和水泥基体粘结界面相互作用弱、界面存在大量孔隙等问题，学者们针对纤维水泥基复合材料提出如下纤维表面改性和修饰方法：
[0003]物理改性，即对纤维体进行刻蚀和损伤，使纤维表面出现沟壑从而增加纤维表面粗糙度，如等离子，γ射线照射、超声波等。同时，外界的物理条件还会引起纤维表面化学性质的改变。但化学性质改变程度受物理作用条件强弱的限制，比如超声波电压太低使其改性效果稳定性低，而等离子体对纤维处理具有时效性。物理作用方法对设备的要求也更加严格，成本高，以确保使用安全性。且物理改性对纤维的结构破坏程度较大，操作较复杂。
[0004]化学改性，即通过化学反应改变了纤维表面分子的化学结构、组成来改变纤维的性质。如超临界二氧化碳改性、络合改性。化学改性作用效果明显，但制造工艺流程复杂，反应程度不易掌控，若反应过度，强烈的化学反应会造成纤维取向结构、结晶结构破坏严重，纤维本体力学性能下降。化学改性复杂的制造工艺如时间、温度等要求，严格地限制了该类型处理方式在工业化上的应用。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0006](1)现有技术中，纤维与水泥基体间的粘结性能差。
[0007](2)现有技术中，纤维与水泥基体间结合后抗折强度低。
[0008](3)现有技术中，纤维与水泥基体间结合后抗压强度低。

技术实现思路

[0009]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种纤维素纳米晶须、合成纤维、水泥基复合材料及增强方法。具体涉及一种合成纤维水泥基复合材料粘结界面纳米修饰增强方法。
[0010]所述技术方案如下：一种纤维素纳米晶须，所述纤维素纳米晶须基于量子化学计算和分子动力学模拟分析原子水平界面微结构和化学配位情况，根据吸附特性借助深度学习优化设计官能团，形成与水泥基材料吸附性能最佳的官能化纤维素纳米晶须。
[0011]在一实施例中，基于量子化学计算和分子动力学模拟分析原子水平界面微结构和化学配位情况，根据吸附特性借助深度学习优化设计官能团包括：
[0012](1)纳米纤维素多尺度计算分析：
[0013](1.1)量子化学计算：计算纳米纤维素结构最高占据分子轨道能量(E
HOMO
)、最低未占据分子轨道能量(E
LUMO
)、偶极矩(μ)、极化率(α)、绝热电离势(I
a
)、绝热电子亲和能(A
a
)、自然总电量(Q
total
)、总Mulliken电量(Z
total
)、摩尔体积(V
i
)、电子迁移(ΔN
a
)和亲电性指数(ω)等量子化学参数；
[0014](1.2)分子动力学模拟：建立纳米纤维素分子与C
‑
S
‑
H凝胶吸附的分子动力学模型，采用基于原子的求和法和Ewald求和法设置非键相互作用、范德华力和静电相互作用，模拟计算纳米纤维素与胶凝材料之间的结合能；
[0015](2)基于支持向量机的定量构效关系模型建立：
[0016](2.1)选择核函数：选择径向基函数(RBF,radial basis function)作为支持向量机的核函数；
[0017](2.2)建立定量构效关系模型：基于支持向量机，利用量子化学参数和吸附能的分子动力学模拟结果，建立纳米纤维素分子多参数与黏结能力之间的非线性定量构效关系模型；
[0018](2.3)模型优化及关系预测：采用主成分分析法(PCA,principal component analysis)和留一交叉验证法(LOOCV,leave
‑
one
‑
out cross validation)，对多参数进行降维、对模型中正则化参数和内核参数进行优化，预测粘结性能；并通过均方根误差(RMSE,root
‑
mean
‑
square error)和相关系数(R,correlation coefficient)对模型性能进行评价；
[0019](3)表面官能团化学结构优化设计：
[0020](3.1)理论分析及结构设计：根据分子结构量子化学计算和分子动力学吸附性能模拟结果，结合理论分析，设计纳米纤维素表面化学结构；
[0021](3.2)多尺度模拟性能评价：对设计的化学结构通过定量构效关系模型预测其粘结性能，实现基于理论分析和计算机模拟的高效化学结构智能优化设计；对部分结构进行多尺度模拟，验证模型预测的准确性。
[0022]本专利技术的另一目的在于提供一种纤维素纳米晶须表面修饰的合成纤维，所述纤维素纳米晶须表面修饰的合成纤维以所述的官能化纤维素纳米晶须作为涂层，包覆在PE纤维表面，形成一层粗糙的表层结构，使PE纤维表面变粗糙。
[0023]本专利技术的另一目的在于提供一种纤维素纳米晶须表面修饰的合成纤维制备方法包括：
[0024]对所述的纤维素纳米晶须配置成混合溶液，通过浸泡、加热固化，使纤维素纳米晶须包覆在PE纤维表面并形成充分静电吸附的薄膜，并作为偶联剂增强维素纳米晶须表面修饰的合成纤维与水泥基材料之间的粘结。
[0025]在一个实施例中，所述混合溶液包含浓度为2.0mg/mL的纤维素纳米晶须。
[0026]在一个实施例中，所述PE纤维包括聚乙烯纤维。
[0027]本专利技术的另一目的在于提供一种合成纤维水泥基复合材料，所述合成纤维水泥基复合材料包括所述的纤维素纳米晶须表面修饰的合成纤维，以及与所述纤维素纳米晶须表面修饰的合成纤维粘结的水泥基材料。
[0028]纤维素纳米晶须表面修饰的合成纤维的添加量为水泥基复合材料总体积的0.3％，也就是体积比为0.3％。
[0029]本专利技术的另一目的在于提供一种合成纤维水泥基复合材料粘结界面纳米修饰增强方法包括以下步骤：
[0030]步骤一，通过分子动力学模拟的方法分析不同官能化纤维素纳米晶须与水泥基材料和纤维的吸附性能，对纤维素纳米晶须表面官能团进行优化设计，选择吸附性能最佳的
官能化纤维素纳米晶须(CNC)作为偶联剂；
[0031]步骤二，向纤维素纳米晶须(CNC)凝胶中加入水配制纤维素纳米晶须(CNC)混合溶液，超声处理，得到稳定的纤维素纳米晶须(CNC)水溶液；
[0032]步骤三，将PE纤维加入纤维素纳米晶须(CNC)水溶液中，搅拌，超声波恒温处理，静置，使PE纤维与纤维素纳米晶须(CNC)充分静电吸附，得到表面覆盖纤维素纳米晶须(CNC)的PE纤维；
[0033]步骤四，将附着在PE纤维表面的多余的纤维素纳米晶须(CNC)用清水去除，然后真空条件下干燥；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维素纳米晶须，其特征在于，所述纤维素纳米晶须基于量子化学计算和分子动力学模拟分析原子水平界面微结构和化学配位情况，根据吸附特性借助深度学习优化设计官能团，形成与水泥基材料具备吸附性能的官能化纤维素纳米晶须。2.根据权利要求1所述的纤维素纳米晶须，其特征在于，所述基于量子化学计算和分子动力学模拟分析原子水平界面微结构和化学配位情况，根据吸附特性借助深度学习优化设计官能团包括：(1)纳米纤维素多尺度计算分析：(1.1)量子化学计算：计算纳米纤维素结构最高占据分子轨道能量、最低未占据分子轨道能量、偶极矩、极化率、绝热电离势、绝热电子亲和能、自然总电量、总Mulliken电量、摩尔体积、电子迁移和亲电性指数量子化学参数；(1.2)分子动力学模拟：建立纳米纤维素分子与C
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H凝胶吸附的分子动力学模型，采用基于原子的求和法和Ewald求和法设置非键相互作用、范德华力和静电相互作用，模拟计算纳米纤维素与胶凝材料之间的结合能；(2)基于支持向量机的定量构效关系模型建立：(2.1)选择核函数：选择径向基函数作为支持向量机的核函数；(2.2)建立定量构效关系模型：基于支持向量机，利用量子化学参数和吸附能的分子动力学模拟结果，建立纳米纤维素分子多参数与黏结能力之间的非线性定量构效关系模型；(2.3)模型优化及关系预测：采用主成分分析法和留一交叉验证法，对多参数进行降维、对模型中正则化参数和内核参数进行优化，预测粘结性能；并通过均方根误差和相关系数对模型性能进行评价；(3)表面官能团化学结构优化设计：(3.1)理论分析及结构设计：根据分子结构量子化学计算和分子动力学吸附性能模拟结果，结合理论分析，设计纳米纤维素表面化学结构；(3.2)多尺度模拟性能评价：对设计的化学结构通过定量构效关系模型预测其粘结性能，进行基于理论分析和计算机模拟的化学结构智能优化设计；并对化学结构进行多尺度模拟，验证模型预测的准确性。3.一种纤维素纳米晶须表面修饰的合成纤维，其特征在于，所述纤维素纳米晶须表面修饰的合成纤维以权利要求1所述的官能化纤维素纳米晶须作为涂层，包覆在PE纤维表面，形成一层粗糙的表层结构，使PE纤维表面变粗糙...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟丹，樊其昌，孟雪，
申请(专利权)人：青岛农业大学，
类型：发明
国别省市：