高聚合物材料模拟方法.pdf

公开了用于评估填料在高聚合物材料中的分散性的计算机模拟方法，其中模拟步骤包括连接步骤。在该连接步骤中，将与聚合物颗粒的距离小于预定距离的填料颗粒连接于聚合物颗粒上。构成每一个填料模型的填料颗粒都是单个中心填料颗粒和至少四个表面填料颗粒，该表面填料颗粒的中心被设置在球面上，该球面的中心与中心填料颗粒的中心一致。分别在中心填料颗粒和表面填料颗粒之间、以及在表面填料颗粒之间，定义平衡长度。聚合物颗粒可以仅被连接于表面填料颗粒上。

权利要求书
1.   一种用于评估填料在高聚合物材料中的分散性的计算机模拟方法，包括：
填料模型定义步骤，其中定义填料的填料模型，每一个填料模型都代表填料颗粒，
聚合物模型定义步骤，其中定义高聚合物材料的聚合物模型，每一个聚合物模型都代表聚合物颗粒，
条件设定步骤，其中设定模拟条件，
模拟步骤，其中对被置于虚拟空间的聚合物模型和填料模型进行分子动力学计算，以及
评估步骤，其中根据模拟步骤中通过分子动力学计算得到的数据来评估填料模型的分散性，
其中，
每一个填料模型中的填料颗粒都是单个中心填料颗粒和至少四个表面填料颗粒，所述表面填料颗粒的中心被设置在中心与中心填料颗粒的中心一致的球面上，
分别在中心填料颗粒与表面填料颗粒之间、和在表面填料颗粒之间定义平衡长度，以及
模拟步骤，其包括连接步骤，其中在聚合物颗粒仅能被连接于表面填料颗粒上的条件下，将与聚合物颗粒的距离小于预先确定的颗粒间距离的填料颗粒连接于聚合物颗粒上。

2.   如权利要求1所述的方法，其特征在于，
定义填料颗粒和聚合物颗粒之间的势能，以使得当所涉及的颗粒间的距离减小到小于预先确定的截止距离时，它们之间发生相互作用，以及
相对于中心填料颗粒的截止距离大于相对于表面填料颗粒的截止距离与球面半径之和。

3.   如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
评估步骤包括计算每一个填料模型中的中心填料颗粒的半径分布函数的步骤。

4.   如权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述虚拟空间的形状是正六面体，
所述半径分布函数的距离范围是从0至虚拟空间形状的一边长度的一半，以及
所述半径分布函数的采集间隔相当于不大于所述一半长度的1/5的距离。

5.   如权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述条件设定步骤包括：
初始设置步骤，其中将填料模型和聚合物模型置于虚拟空间中，以及
聚集团定义步骤，其中通过使填料模型接近从而引起填料模型之间的相互作用，来形成至少两个填料模型的聚集团。

6.   如权利要求1‑5中任一项所述的方法，其特征在于，
模拟步骤包括：
填料移动限制步骤，其中每一个填料颗粒的移动都被限制，
聚合物计算步骤，其中对于每一个聚合物模型进行分子动力学计算，填料颗粒除外，
释放步骤，其中填料颗粒被释放，以及
填料‑聚合物计算步骤，其中对于填料模型和聚合物模型进行分子动力学计算。

7.   如权利要求6所述的方法，其特征在于，
在聚合物计算步骤中，当每步以约0.05[τ]进行分子动力学计算时，步的数量是100以上。

8.   如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，
在填料‑聚合物计算步骤中，当每步以约0.05[τ]进行分子动力学计算时，步的数量是1000以上。

说明书高聚合物材料模拟方法
技术领域
本发明涉及一种可用于评估或者改善填料分散性、并且能够提高模拟精确度的高聚合物材料模拟方法。
背景技术
在车辆轮胎中使用的高聚合物材料比如复合橡胶通常含有填料比如炭黑和二氧化硅。本技术领域中众所周知的是，填料在复合橡胶中的分散性对于橡胶的性能例如强度会产生较强的影响。
近年来，为了评估填料在高聚合物材料中的分散性，人们已经建议了多种计算机模拟（数值计算）方法。
例如，日本专利申请公开No.2006‑64658公开了这种模拟方法，其中，如图13（a）所示，代表单个填料颗粒（a1）的填料模型（a）和代表多个聚合物颗粒（b1）的聚合物模型（b）被定义，然后对于放置或者设置在预先确定的虚拟空间中的填料模型（a）和聚合物模型（b）进行分子动力学（MD）计算。
在该模拟方法中，由于代表单个填料颗粒（a1）的填料模型（a），当聚合物模型（b）被偶联于填料颗粒（a1）时，如图13（b）所示，聚合物模型（b）相对于填料模型（a）的位置难以被唯一地定置，并且聚合物模型（b）在填料模型（a）的表面上产生滑移（或者围绕填料模型（a）转向移动）。因此，难以得到精确的模拟结果。
发明内容
因此，本发明的第一目的在于提供一种高聚合物材料模拟方法，其中聚合物模型的滑移（sliding movement）或者转向移动（turning movement）可以被避免，并且借此有可能精确地模拟填料在高聚合物材料中的分散，因此该方法对于评估或者改善填料分散性非常有用。
根据本发明，一种用于评估填料在高聚合物材料中的分散性的计算机模拟方法，包括：
填料模型定义步骤，其中定义填料的填料模型，其中每一个填料模型都代表填料颗粒，
聚合物模型定义步骤，其中定义高聚合物材料的聚合物模型，其中，每一个聚合物模型都代表聚合物颗粒，
条件设定步骤，其中设定模拟条件，
模拟步骤，其中对于被置于虚拟空间的聚合物模型和填料模型进行分子动力学计算，以及
评估步骤，其中由在模拟步骤中通过分子动力学计算得到的数据来评估填料模型的分散性，
其中，
每一个填料模型中的填料颗粒都是单个中心填料颗粒以及至少四个表面填料颗粒，所述表面填料颗粒的中心被设置在球面上，所述球面的中心与中心填料颗粒的中心一致，
分别在中心填料颗粒和表面填料颗粒之间、以及在表面填料颗粒之间，定义平衡长度（equilibrium length），并且
模拟步骤包括连接步骤，其中在聚合物颗粒可以仅被连接于表面填料颗粒的条件下，将与聚合物颗粒的距离小于预先确定的颗粒间距离的填料颗粒连接于聚合物颗粒上。
因此，根据本发明，填料模型被形成为多面体形状，其中中心填料颗粒和表面填料颗粒被互相连接从而保持它们的相对位置，并且聚合物颗粒仅被连接于表面填料颗粒。结果是，聚合物模型相对于填料模型的位置变得被唯一地定置，不至于引起聚合物模型的滑移。因此，有可能估计填料模型相对于聚合物模型的分散状态，并且可以提高模拟精确度。
根据本发明的计算机模拟方法可以进一步具有如下特征（A）‑（G）：
（A）填料颗粒和聚合物颗粒之间的势能被定义，以使得当所涉及的颗粒间的距离被减小得小于预先确定的截止距离（cutoff distance）时，它们之间发生相互作用，并且
相对于中心填料颗粒的截止距离大于相对于表面填料颗粒的截止距离与球面半径之和；
（B）评估步骤包括计算每一个填料模型中的中心填料颗粒的半径分布函数的步骤；
（C）虚拟空间的形状是正六面体，
半径分布函数的距离范围是从0至虚拟空间形状的一边长度的一半，并且
半径分布函数的采集间隔相当于不大于所述一半长度的1/5的距离；
（D）条件设定步骤包括：
初始设置步骤，其中填料模型和聚合物模型被置于虚拟空间中，以及
聚集团（compact cluster）定义步骤，其中通过使填料模型接近从而引起填料模型之间相互作用，来形成至少两个填料模型的聚集团；
（E）模拟步骤包括：
填料移动限制步骤，其中每一个填料颗粒的移动都被限制，
聚合物计算步骤，其中对于每一个聚合物模型进行分子动力学计算，填料颗粒除外，
释放步骤，其中填料颗粒被释放，以及
填料‑聚合物计算步骤，其中对于填料模型和聚合物模型进行分子动力学计算；
（F）在聚合物计算步骤中，当每步以约0.05[τ]进行分子动力学计算时，步的数量是100以上；以及
（G）在填料‑聚合物计算步骤中，当每步以约0.05[τ]进行分子动力学计算时，步的数量是1000以上。
附图说明
图1是实施作为本发明实施方式的模拟方法的计算机系统的立体示意图。
图2是本实施方式中的模拟方法的流程图。
图3是显示填料模型的示意图。
图4是显示聚合物模型的示意图。
图5是条件设定步骤的流程图。
图6是用于解释填料颗粒和聚合物颗粒势能的示意图。
图7是用于解释填料颗粒的截止距离的示意图。
图8是用于解释模拟模型的虚拟空间的透视图。
图9是本实施方式中的模拟步骤的流程图。
图10(a)和10(b)是用于解释连接步骤的示意图。
图11是显示填料‑聚合物计算步骤之后的模拟模型的透视图。
图12是半径分布函数的曲线图。
图13(a)是显示已知填料模型和聚合物模型的示意图。
图13(b)是用于解释已知聚合物模型的滑移的示意图。
具体实施方式
现在结合附图，对本发明的实施方式进行详细描述。
根据本发明的模拟方法是通过利用电脑1评估填料在高聚合物材料中的分散性的计算机化方法。
在这里，术语“高聚合物材料”应被理解为至少包括橡胶、树脂和弹性体。术语“填料”应被理解为至少包括炭黑、二氧化硅和氧化铝。
如图1所示，例如，计算机1包括主机1a、键盘1b、鼠标1c和显示器1d。主机1a包括算术处理器（CPU）、ROM、工作存储器、存储设备比如磁盘、光盘驱动器1a1和1a2等。在存储装置中，储存有用于实施模拟方法的程序/软件。
图2显示了作为本发明实施方式的模拟方法的流程图，其中，该模拟方法包括：
填料模型定义步骤S1，其中定义填料的填料模型3，
聚合物模型定义步骤S2，其中定义高聚合物材料的聚合物模型5，
条件设定步骤S3，其中设定模拟条件，
模拟步骤S4，其中进行分子动力学计算，
评估步骤S5，其中评估填料模型3的分散状态。
在填料模型定义步骤S1中，如图3所示，每个填料模型3被定义成代表多个填料颗粒4，其中每一个填料颗粒4都是具有某一直径的球体。
构成每个填料模型3的填料颗粒4是单个中心填料颗粒4c、以及本实施例的八个表面填料颗粒4s中的至少四个，其中表面填料颗粒4s的中心4sc被设置于球面B上，球面B的中心与中心填料颗粒4c的中心一致。
顺便说一下，填料模型3相当于通过分子动力学处理填料所需的数字数据（包括每一个填料颗粒4的质量、体积、直径和最初坐标在内）。这些数字数据被输入并储存在计算机1中。
分别在中心填料颗粒4c和表面填料颗粒4s之间、以及在表面填料颗粒4s之间，设置连接链4j，在连接链4j上定义平衡长度。
在这里，平衡长度是当球面B上的表面填料颗粒4s的相对位置变得稳定时，在中心填料颗粒4c和表面填料颗粒4s之间、以及在表面填料颗粒4s之间的键距。
进一步地，中心填料颗粒4c和三个以上表面填料颗粒4s被设置成不位于相同的平面或者一个平面上。
在该例子中的填料模型3中，使中心填料颗粒4c和表面填料颗粒4s成键，同时保持它们的相对位置。表面填料颗粒4s被设置于多面体的角顶，中心填料颗粒4c被设置于多面体的中心。
在聚合物模型定义步骤S2中，如图4所示，每个聚合物模型5被定义成代表高聚合物材料的许多聚合物颗粒6。
聚合物模型5相当于通过分子动力学处理高聚合物材料所必需的数字数据。这些数字数据被输入并储存在计算机1中。
在本实施方式中，聚合物模型5的聚合物颗粒6包括改性基本颗粒6b和未改性基本颗粒6a，在这两种基本颗粒上定义不同的势能（在下文会述及）。颗粒6a和6b中的每一个都是具有某一直径的球体。
在颗粒6a和6b之间，设置连接链6j，使得连接链6j保持在约束下、并且具有像直链聚合物一样的三维结构。
图5显示了本实施方式中的条件设定步骤S3的流程图。
在本实施方式的条件设定步骤S3中，首先，势能定义步骤S3a被实施。
在势能定义步骤S3a中，如图6所示，在填料颗粒4c、4s和聚合物颗粒6a、6之间，势能被分别定义。
势能被输入并储存在计算机1中作为数字数据，并且被用于计算两个颗粒之间的力。
在这里，势能是所涉及的颗粒之间距离的函数。势能通过下述表达式（1）给出：