[发明专利]一种通过分子模拟技术描述聚氨酯材料构效演化的方法

权利要求书

1.一种通过分子模拟技术描述聚氨酯材料构效演化的方法，包括以下步骤：

(1)聚氨酯高分子全原子组分模型的构建

首先建立单体3,3-双（叠氮甲基）氧杂环丁烷(BAMO)和四氢呋喃(THF)的开环模型，通过Materials Studios的Build Polymers 工具，建立包含BAMO和THF的10-42聚合度两嵌段共聚物作为粘合剂材料,对高分子链进行 Forcite-Geometry Optimization 以得到较为合理的分子结构,然后用Materials Studios建立扩链剂(一缩二乙二醇)、交联剂（三羟甲基乙烷）和固化剂（2,4-甲苯二异氰酸酯）等小分子添加剂，同样用Forcite-GeometryOptimization对小分子结构进行结构优化得到较为合理的分子构型,通过这样的步骤，即可得到四种组分的全原子模型,整个交联过程都是羟基与异氰酸酯基团反应形成氨基甲酸酯基，所以需要预先把参与反应的原子进行标记，使得Perl脚本程序能够识别反应的关键原子,分子中羟基氧原子和异氰酸酯基碳原子分别被标记为“R1”和“R2”，这可以保证反应位点不会出现偏差;

(2)聚氨酯高分子全原子混合晶胞的构建

按羟基数比异氰酸酯数1:1-2的比例建立四组分的混合模型，为了得到更为合理的初始混合构型，通过Materials Studios的Amorphous Cell模块先建立5-10个无定型晶胞，然后对5-10个晶胞分别进行Geometry Optimization的结构优化，对比5-10个晶胞进行结构优化后系统的能量，选取能量最低的作为我们的初始构型,能量越低，在实际宏观实验中就越容易形成这种构型;

(3)聚氨酯高分子全原子初始模型的驰豫

将上一步骤中得到的初始结构进行动力学的驰豫，在300K的温度下，先用NVT系综进行2-4ns的动力学模拟，得到相对合理的系统构象，然后在NPT系综下进行2-4ns的模拟，使得晶胞的密度在1.2g/cm³附近随模拟温度的涨落而升降，并且不出现大幅度的变化，即可认为初始结构达到了平衡;

(4)聚氨酯高分子全原子随机交联模型的构建

将上一步骤中得到的平衡构型读入Materials Studios的Perl脚本计算循环中，通过识别预先标记的活性原子，设定在截断半径之内的不同活性原子就可能发生键连，即R1和R2之间反应,截断半径会随着模拟计算过程的进行而增大，这样就增大了活性原子的作用范围，以此可以使得模型能达到我们预设的反应度,并且工作中设定的初始截断距离是0.35nm，每次计算增大0.05-0.2nm，但当截断距离达到1.35-1.8nm时，不管是否达到预设反应度，都中断程序，防止出现过度键连导致系统奔溃和失真,在每一个截断距离内，都存在五次驰豫，使得每次键连完成后的构型都得到优化;

（5）聚氨酯高分子全原子构效关系计算

输出不同交联度的聚氨酯随机交联模型，首先对这些模型进行5个循环的高温退火，低温为300K，高温为600K,得到了低能量的驰豫构型,然后对各个模型进行玻璃化转变温度的分析，在本工作中，采用了热膨胀系数的方法,从650K开始，每次降温30-50K，降温12-20次,在每个温度下，先进行1-2ns的NVT系统平衡，1-2ns的NPT系综平衡，取NPT过程最后的0.5-1ns的数据取密度平均，得到对应温度下系统的密度,建立温度-密度的关系图，通过拟合两条不同斜率的直线，得到两条直线的交点，即可得到玻璃化转变温度,对于材料力学性能的演化分析，本工作中采用了对不同交联度的模型进行单轴拉伸，分别统计了弹性区域斜率，即杨氏模量，最大拉伸强度来分析得到了在整个交联的过程中，材料性能的演化曲线。

2.如权利要求1所述建立的全原子随机交联模型，其特征在于，所述的模拟力场在建立随机键连模型选用Materials Studios中的COMPASSII，后续的动力学模拟采用OPLS-AA力场,通过系统的密度判断模型的平衡状态。

3.如权利要求1所述建立的全原子随机交联模型，其特征在于，所述的四组分的全原子模型都是通过标记原子识别键连，防止出现同原子之间的反应。

4.如权利要求1所述建立的全原子随机交联模型，其特征在于，所述的高分子链是10-42聚合度的嵌段共聚物。