[发明专利]一种用分子动力学模拟诱导聚合物链取向结晶以及拉伸力学破坏的方法

说明书

本发明公开一种用分子动力学模拟诱导聚合物链取向结晶以及拉伸力学破坏的方法。建立聚合物的分子模型，设定原子的初始位置、速度和力场。体系总能量包含动能和势能两部分，其中动能和温度有关，而势能主要包括成键和非键相互作用，即键伸缩能、键角弯曲能、二面角扭转能和范德华相互作用能。采用周期性边界条件，依次对体系进行能量优化、NVT和NPT平衡，进行非等温结晶模拟。用GROMACS软件对体系进行单轴恒力拉伸取向结晶；然后用LAMMPS软件恒速拉伸，研究结晶聚合物的应力应变，及对温度和拉伸速率的依赖性。本发明利用计算机模拟方法，克服了实验局限，实时观察到取向结晶和拉伸过程中微晶的演变，结论与实验数据吻合。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，更具体地说，涉及一种计算机模拟诱导聚合物链取向结晶以及拉伸力学破坏的方法。

背景技术

半结晶聚合物具有力学性能优异，加工性能良好，性价比高等优点，被广泛应用于各个领域。半结晶聚合物材料要经过加工成型之后才能成为制品，熔体在加工成型时都会不可避免地引入流动场，比如双轴拉伸和薄膜吹塑过程，纤维挤出和塑料成型过程等。流动场的存在能够加速结晶动力学，显著地增强材料的力学性能，并且会诱导生成特殊的晶体形态和新的晶型，其中半结晶聚合物最明显的形态变化是从无规取向的球晶向高度取向的串晶（shish-kebab）的转变，串晶的存在能够大幅度提高半结晶聚合物材料的各项性能。半结晶聚合物的性能主要由产品的结晶形态决定，链结构的多样性和结晶条件的复杂性影响了半结晶聚合物的结晶形态，因此，研究半结晶聚合物的结构-性能之间的关系可以为开发高性能半结晶聚合物产品提供有效的理论指导。由于实验手段和经典理论模型的限制，对拉伸诱导聚合物取向结晶，以及取向结晶的拉伸力学破坏缺少分子尺度的解析，而分子模拟有助于从本质上理解聚合物结晶的微观机理和复杂性，其中分子动力学模拟（MolecularDynamics, MD）是从分子尺度上研究聚合物结晶行为的一个十分重要的研究手段。

分子动力学模拟方法是一种研究凝聚态系统强有力的计算机模拟方法。分子动力学方法中粒子的运动遵循牛顿第二定律，体系的演变接近真实粒子的运动规律，可以同时预测体系的热力学和动力学特征，对经典理论计算和实验研究进行了有力的完善和补充。

分子动力学方法可以通过计算原子间的相互作用势求解体系内每个原子所受的力，用数值方法求解牛顿动力学方程组，模拟预测每个原子在系统中随着时间的推移产生的运动规律。并且可以获取体系重要的参数变化，包括构象变化，配体配合和蛋白质的折叠方式，可以在飞秒的时间尺度下显示所有原子的位置。分子动力学模拟方法通常与各种实验技术相结合，包括X射线结晶学、核磁共振技术和电子顺磁共振等方法。

GROMACS和LAMMPS是一种经典的分子动力学代码，它可对处于液态，固态或气态的粒子团进行模拟计算，在对原子，聚合物，生物，固态（金属，陶瓷，氧化物），颗粒，粗粒度或宏观系统进行建模时，可以向体系施加各种原子间电势（力场）和边界条件。其模拟体系十分广泛，少至几个粒子，多至数百万或数十亿的2D或3D结构，都可以对其进行模拟。

本文采用联合原子模型进行分子动力学模拟，即将半结晶聚合物链中的每个亚甲基都看作一个整体，不计算其内部的相互作用，从而大大简化了计算过程。本发明模拟体系的分子链体系较大，分子链超过盒子边界，所以使用周期性边界条件。整个模拟过程中，盒子的大小会发生改变，但体系的密度始终不变，施加压力后，聚合物处于熔体的状态。在数据处理过程中，以联合原子单元的坐标为准，忽略了周围空位的变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟诱导聚合物链取向结晶以及拉伸力学破坏的方法，进而从微观机理方面解释拉伸诱导聚合物取向结晶，以及拉伸力学破坏中凝聚态结构的演变，克服实验表征无法揭示的现象原因，进一步建立聚合物材料分子链结构—流场控制—结晶行为—宏观性能之间的关联。本发明用分子动力学模拟研究流场下半结晶聚合物的结晶行为和成核过程。

本发明的技术目的通过以下技术方案实现。