[发明专利]高聚合物材料模拟方法

说明书

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；