[发明专利]用于模拟聚合物材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机实施的用于模拟聚合物材料并评估亲和性的方法，该聚合物材料包括聚合物、填料和用于增加聚合物对填料亲和性的改性剂，更优选是一种改性聚合物模型和填料模型的组合，填料模型被特定定义为固定于空间中的平坦表面，改性聚合物模型被设置于该空间中。

背景技术

在一般情况下，用于充气轮胎的橡胶化合物含有增强填料如炭黑和二氧化硅。例如，如果用富含二氧化硅的化合物作为充气轮胎的胎面橡胶，那么胎面橡胶的内部能量损失减少，轮胎性能，例如滚动阻力得以提高。这样的富含二氧化硅的化合物含有改性剂来改善基础橡胶或弹性体对二氧化硅填料的亲和性。如果亲和性低，那么橡胶化合物的强度随着填料含量的增加而降低。

近年来，另一方面，为了开发橡胶化合物，提出了计算机模拟的利用。

日本专利申请公开号2006-064658公开了一种计算机实施的方法，用于评估含橡胶和炭黑的橡胶材料，并教导使用根据炭黑分子结构（即含有碳原子的石墨结构）定义的碳模型，和根据基础橡胶分子结构定义的橡胶模型。

如果这种碳模型和橡胶模型在虚拟空间中被分散地设置且自由活动，并基于分子动力学进行驰豫计算，那么它需要许多时间才能完成这样的驰豫计算。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种计算机实施的用于模拟聚合物材料的方法，该聚合物材料包括聚合物、填料和改性剂，其中加入改性剂的聚合物对填料的亲和性，可以在短时间内被评估。

根据本发明，提供一种计算机实施的用于模拟聚合物材料的方法，该聚合物材料包括聚合物、填料和用于增加聚合物对填料亲和性的改性剂，该方法包括：

定义虚拟空间的步骤，使得虚拟空间具有一对平行相对的壁表面；

在虚拟空间中定义多个改性聚合物模型的步骤，其中每个改性聚合物模型包括：聚合物的聚合物模型，该聚合物模型包含至少一个颗粒，和改性剂的改性剂模型，该改性剂模型包含至少一个代表改性剂的改性基团的颗粒；

定义聚合物模型的颗粒之间、改性剂模型的颗粒之间、以及聚合物模型的颗粒和改性剂模型的颗粒之间的排斥势能的步骤，当所涉及的颗粒之间的距离变得小于预定阈值时，排斥势能在所涉及的颗粒之间产生排斥力；

通过虚拟空间中平行相对的壁表面定义一对填料模型的步骤；

定义交互势能的步骤，其中，定义聚合物模型的颗粒与填料模型之间、改性剂模型的颗粒与填料模型之间的交互势，当填料模型与涉及的颗粒之间的距离小于预定阈值时，交互势能在填料模型与所涉及的颗粒之间产生吸引力或排斥力，当填料模型与所涉及的颗粒之间的距离大于预定阈值时，交互势能在填料模型与所涉及的颗粒之间不产生力，

其中，在改性剂模型的颗粒与填料模型之间定义的交互势能的阈值大于在聚合物模型的颗粒与填料模型之间定义的交互势能的阈值，以及在改性剂模型的颗粒与填料模型之间定义的交互势能的强度大于在聚合物模型的颗粒与填料模型之间定义的交互势能的强度；

模拟步骤，其中虚拟空间中的填料模型和改性聚合物模型通过进行分子动力学计算来进行驰豫，和

评估步骤，其中利用模拟步骤中获得的结果来评估改性剂模型的颗粒对填料模型的亲和性，

模拟步骤包括其中以固定时间步长对停留在填料附近区域的改性剂模型的颗粒数量进行计数以获得时间序列计数的数字的步骤，其中填料附近区域是虚拟空间中自每个填料模型开始并垂直于填料模型延伸预定距离L1的部分，以及

评估步骤包括其中利用时间序列计数的数字对每两次以上连续计数的数字取平均值并输出的步骤。

优选地，每次待取平均值的连续计数的数字的数量至少为5并且至多为1,000,000。

在改性聚合物模型中，聚合物模型包含多个颗粒，并且

通过耦合势能定义聚合物模型的颗粒之间以及聚合物模型的颗粒和改性剂模型的颗粒之间的连接链，其中在所涉及的颗粒之间定义耦合势能，使得当涉及的颗粒之间的距离增加到超过由排斥势能的强度和耦合势能的强度确定的距离时，耦合势能主要产生吸引力，该吸引力的大小大于在所涉及的颗粒之间定义的排斥势能所产生的排斥力的大小，

以及进一步地，定义耦合势能以产生吸引力，其大小大于在所涉及的颗粒和任何填料模型之间定义的交互势能所产生的吸引力的大小。

因此，在本发明中，填料模型被固定在虚拟空间中。在这种情况下，要进行计算的仅仅是改性聚合物模型的分散或运动。因此，驰豫计算可以在短时间内完成。