[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

说明书

本发明涉及一种通过分子动力学模拟技术描述聚氨酯高分子材料构效关系演化的方法。通过构建相对合理的初始混合模型，以截断半径以及标记原子作为反映的判据，建立了一套关于聚氨酯高分子材料随机键连模型的方法。一方面为研究聚氨酯材料反应过程中结构的演化以及性能的演化提供技术支持，同时为一些相对复杂随机模型的构建提供了思路。本发明通过计算不同的反应度的聚氨酯材料的玻璃化转变温度的演化以及单轴拉伸模拟，证明了该类聚氨酯材料玻璃化转变温度以及杨氏模量与反应度的线性相关性。同时也证实了这种聚氨酯随机交联模型的建模方法的可行性。

技术领域

本发明涉及化工计算机模拟计算与聚氨酯高分子材料领域，具体涉及一种分子模拟技术建立聚氨酯随机交联网络模型以及其构效演化的方法。

背景技术

聚氨酯高分子是一种应用广泛的材料，常见于汽车、火箭导弹推进、交通运输、基础建筑等多个领域。传统的高分子材料往往需要向其中添加特定的组分，形成高分子复合材料才能满足生产生活的需要，聚氨酯高分子也不例外。但多界面复合材料由于其组分强关联、界面效应以及多尺度效应，使得其成型过程缓慢、各种效应互相交错。单纯从宏观尺度去描述这类材料的构效演化关系不太可能，传统的实验手段有着实验周期长，实验消耗大的问题。通过分子模拟技术，构建随机交联模型，描述在整个交联过程中，结构与性能的演化，为实验的设计提供预测指导。有效克服了实验周期长，消耗大的缺点。

发明内容

本发明目的之一是采用了脚本程序识别反应的原子，继而实现全原子随机交联模型的建立；有效得构建了交联过程中的不同交联度的模型；

本发明目的之二是采用分子动力学模拟对实验进行结果进行预测，减少实验的周期和成本；

本发明目的之三是为各种复杂高分子键连模型的建立提供思路；

本发明目的之四是通过分析键连过程中结构的变化，找到构效的对应关系，讨论不同结果的微观作用机制，优化聚氨酯高分子材料的制作工艺。

本发明技术方案如下：

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，其特征在于，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-Geometry Optimization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

按羟基数和异氰酸酯数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