[發明專利]一種用分子動力學模擬誘導聚合物鏈取向結晶以及拉伸力學破壞的方法

在審

• 申請號: 202011366127.7
• 申請日: 2020-11-29
• 公開（公告）號: CN112270961A
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 何雪蓮;王潔琦;曹怡然
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種用分子動力學模擬誘導聚合物鏈取向結晶以及拉伸力學破壞的方法。建立聚合物的分子模型，設定原子的初始位置、速度和力場。體系總能量包含動能和勢能兩部分，其中動能和溫度有關，而勢能主要包括成鍵和非鍵相互作用，即鍵伸縮能、鍵角彎曲能、二面角扭轉能和范德華相互作用能。采用周期性邊界條件，依次對體系進行能量優化、NVT和NPT平衡，進行非等溫結晶模擬。用GROMACS軟件對體系進行單軸恒力拉伸取向結晶；然后用LAMMPS軟件恒速拉伸，研究結晶聚合物的應力應變，及對溫度和拉伸速率的依賴性。本發明利用計算機模擬方法，克服了實驗局限，實時觀察到取向結晶和拉伸過程中微晶的演變，結論與實驗數據吻合。

技術領域

本發明屬于高分子材料技術領域，更具體地說，涉及一種計算機模擬誘導聚合物鏈取向結晶以及拉伸力學破壞的方法。

背景技術

半結晶聚合物具有力學性能優異，加工性能良好，性價比高等優點，被廣泛應用于各個領域。半結晶聚合物材料要經過加工成型之后才能成為制品，熔體在加工成型時都會不可避免地引入流動場，比如雙軸拉伸和薄膜吹塑過程，纖維擠出和塑料成型過程等。流動場的存在能夠加速結晶動力學，顯著地增強材料的力學性能，并且會誘導生成特殊的晶體形態和新的晶型，其中半結晶聚合物最明顯的形態變化是從無規取向的球晶向高度取向的串晶（shish-kebab）的轉變，串晶的存在能夠大幅度提高半結晶聚合物材料的各項性能。半結晶聚合物的性能主要由產品的結晶形態決定，鏈結構的多樣性和結晶條件的復雜性影響了半結晶聚合物的結晶形態，因此，研究半結晶聚合物的結構-性能之間的關系可以為開發高性能半結晶聚合物產品提供有效的理論指導。由于實驗手段和經典理論模型的限制，對拉伸誘導聚合物取向結晶，以及取向結晶的拉伸力學破壞缺少分子尺度的解析，而分子模擬有助于從本質上理解聚合物結晶的微觀機理和復雜性，其中分子動力學模擬（MolecularDynamics, MD）是從分子尺度上研究聚合物結晶行為的一個十分重要的研究手段。

分子動力學模擬方法是一種研究凝聚態系統強有力的計算機模擬方法。分子動力學方法中粒子的運動遵循牛頓第二定律，體系的演變接近真實粒子的運動規律，可以同時預測體系的熱力學和動力學特征，對經典理論計算和實驗研究進行了有力的完善和補充。

分子動力學方法可以通過計算原子間的相互作用勢求解體系內每個原子所受的力，用數值方法求解牛頓動力學方程組，模擬預測每個原子在系統中隨著時間的推移產生的運動規律。并且可以獲取體系重要的參數變化，包括構象變化，配體配合和蛋白質的折疊方式，可以在飛秒的時間尺度下顯示所有原子的位置。分子動力學模擬方法通常與各種實驗技術相結合，包括X射線結晶學、核磁共振技術和電子順磁共振等方法。

GROMACS和LAMMPS是一種經典的分子動力學代碼，它可對處于液態，固態或氣態的粒子團進行模擬計算，在對原子，聚合物，生物，固態（金屬，陶瓷，氧化物），顆粒，粗粒度或宏觀系統進行建模時，可以向體系施加各種原子間電勢（力場）和邊界條件。其模擬體系十分廣泛，少至幾個粒子，多至數百萬或數十億的2D或3D結構，都可以對其進行模擬。

本文采用聯合原子模型進行分子動力學模擬，即將半結晶聚合物鏈中的每個亞甲基都看作一個整體，不計算其內部的相互作用，從而大大簡化了計算過程。本發明模擬體系的分子鏈體系較大，分子鏈超過盒子邊界，所以使用周期性邊界條件。整個模擬過程中，盒子的大小會發生改變，但體系的密度始終不變，施加壓力后，聚合物處于熔體的狀態。在數據處理過程中，以聯合原子單元的坐標為準，忽略了周圍空位的變化。

發明內容

本發明的目的在于提供一種模擬誘導聚合物鏈取向結晶以及拉伸力學破壞的方法，進而從微觀機理方面解釋拉伸誘導聚合物取向結晶，以及拉伸力學破壞中凝聚態結構的演變，克服實驗表征無法揭示的現象原因，進一步建立聚合物材料分子鏈結構—流場控制—結晶行為—宏觀性能之間的關聯。本發明用分子動力學模擬研究流場下半結晶聚合物的結晶行為和成核過程。

本發明的技術目的通過以下技術方案實現。