[发明专利]一种基于materials studio的聚乳酸复合体系玻璃化转变温度预测方法

说明书

本发明涉及一种基于materials studio的聚乳酸复合体系玻璃化转变温度预测方法，包括以下步骤：S1）基于蒙特卡洛方法搭建聚乳酸体系无定型晶胞模型；S2）对所构建的无定型晶胞模型进行几何优化和退火模拟，得到能量最低构型；S3）对得到的能量最低构型进行动力学计算，得到聚乳酸体系的降温模拟初始平衡构型；S4）对平衡构型进行降温模拟，得到各个降温温阶下的密度和自由体积分数，线性拟合密度‑温度关系得到玻璃化转变温度预测值，依据自由体积分数分析聚乳酸体系的玻璃化转变温度变化趋势。该方法有利于便捷、准确地预测聚乳酸复合体系的玻璃化转变温度，降低实验成本，缩短研发周期。

技术领域

本发明属于高分子材料模拟技术领域，具体涉及一种基于materials studio的聚乳酸复合体系玻璃化转变温度预测方法。

背景技术

随着人们环保意识的不断增强，能循环利用的可降解材料研究和应用在环境治理方面越来越受到关注。利用天然植物纤维资源制备可降解复合材料已成为国内外科学家研究的热点。

聚乳酸（PLA）作为人工合成的热塑性聚酯材料，在应用价值方面是生物可降解材料中最具潜力的一种，但聚乳酸本身的耐热性较差，针对该方面的不足，需要改善其耐热性，使其能够应用到工作温度较广的工况环境中，扩大其应用范围。当前有关聚乳酸性能的改善研究多数都是试验研究，耗时耗力且成本较高。随着计算机技术的高速发展，借助计算机模拟对开发新材料的实验方案辅助研究的方法已被广泛应用。

分子动力学模拟有着从分子尺度模拟材料性质的独特优势，还能克服传统试验对样品表面难以处理的困难，已成为材料领域的重要研究手段。分子动力学模拟能从分子尺度解释物质性质，还弥补了实验的短处，能够基于宏观层面的研究成果对现有和未出现的材料进行性能预测，得到实验难以获得的结果，从而指导实验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于materials studio的聚乳酸复合体系玻璃化转变温度预测方法，该方法有利于便捷、准确地预测聚乳酸复合体系的玻璃化转变温度，降低实验成本，缩短研发周期。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于materials studio的聚乳酸复合体系玻璃化转变温度预测方法，包括以下步骤：

S1）基于蒙特卡洛方法搭建聚乳酸体系无定型晶胞模型；

S2）对所构建的无定型晶胞模型进行几何优化和退火模拟，得到能量最低构型；

S3）对得到的能量最低构型进行动力学计算，得到聚乳酸体系的降温模拟初始平衡构型；

S4）对平衡构型进行降温模拟，得到各个降温温阶下的密度和自由体积分数，线性拟合密度-温度关系得到玻璃化转变温度预测值，依据自由体积分数分析聚乳酸体系的玻璃化转变温度变化趋势。

进一步地，所述步骤S1中，在构建无定型晶胞模型时，预先设置分子链的聚合度、数量、温度以及晶胞模型的初始参数；为了消除非键合碳原子的影响，对构建的碳纳米管两端进行加氢处理；几何优化时，预先设置优化算法，相关力、能量和位移的最大收敛容差，以及几何优化过程最大迭代次数。

进一步地，所述步骤S2中，搭建的无定型晶胞模型并不处于能量最低状态，需要进行结构优化和退火模拟，搜寻全局条件下的能量最低状态；退火模拟时，预先设置退火过程中的温度最高值和最低值、循环次数、模拟时长参数。

进一步地，所述步骤S3中，对能量最低构型进行NVT系综下的动力学计算充分驰豫结构和NPT系综下的动力学计算最优结构，使模拟体系接近真实条件下的材料。

进一步地，所述步骤S4中，在降温模拟过程中，预先设置模拟体系的初始降温温度和最终降温截止温度、每级降温的温差、每个温阶在NVT和NPT系综下动力学计算的时长。