一种采用粗粒化耗散粒子动力学研究缠结聚乙烯熔体流变学性质的模型构建方法

摘要

本发明公开一种采用粗粒化耗散粒子动力学研究缠结聚乙烯熔体流变学性质的模型构建方法。包括：a)使用联合原子分子动力学模拟方法，对聚乙烯熔体进行模拟，得出原子尺度下的体系构象信息；b)按照特定的粗粒化模型映射方案，对步骤a)中得的构象进行映射，并分析映射后的粗粒化体系的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数；c)对步骤b)中得到的粗粒化体系的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数进行迭代波尔兹曼变换，进行粗粒化力场下的耗散粒子动力学模拟，得到粗粒后聚乙烯的力场参数。本发明以链长为120个碳原子数的聚乙烯熔体为例，通过上述步骤，得到与原子分子动力学模拟十分相近的流变学性质。

说明书

技术领域

本发明属于计算机模拟领域，具体涉及一种采用粗粒化耗散粒子动力学研究缠结聚乙烯熔体流变学性质的模型构建方法。

背景技术

作为最常见的塑料之一，聚乙烯(polyethylene,PE)在工业生产、生活应用中具有重要的地位。同时，由于聚乙烯具有简单的化学结构，常常被作为典型体系在科研工作中加以应用。近年来，随着计算机技术和分子模拟方法的进步，使得我们能够利用计算模拟方法，在理论上对高分子体系的流变学等性质进行分析，从而为现实中高分子体系的材料性质提供预测，促进材料设计，减少直接实验合成研究所需的成本。聚乙烯体系的分子量可自几千到几百万，在熔体中时表现出缠结效应，体系松弛所需的时间则跨越了多个数量级。对于原子分子动力学模拟而言，模拟预测较大分子量的强缠结聚乙烯熔体的性质极为困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用粗粒化耗散粒子动力学研究缠结聚乙烯熔体流变学性质的模型构建方法，构建能够准确预测聚乙烯熔体流变学性质的耗散粒子动力学方法。

本发明所提供的采用粗粒化耗散粒子动力学研究缠结聚乙烯熔体流变学性质的模型构建方法，包括下述步骤：

a)使用联合原子分子动力学模拟方法，对聚乙烯熔体进行模拟，得出原子尺度下的体系构象信息；

b)按照每个粗粒化粒子包含的两个单体确定粗粒化模型映射方案，对步骤a)中得的构象进行映射，并分析映射后的粗粒化体系的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数；

c)对步骤b)中得到的粗粒化体系的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数进行迭代波尔兹曼变换(IBI)，进行粗粒化力场下的耗散粒子动力学模拟，得到粗粒后聚乙烯的力场参数。

上述方法步骤a)中，所述模拟在温度为450K、气压为1atm条件下进行；

上述方法步骤b)中，可将原子模型中的数个单体的质心作为粗粒化粒子的作用位点，以提高粗粒化程度和模拟效率，若粗粒化粒子包含较多的单体，粗粒化体系力场参数可引入键排斥势。

上述方法步骤c)的操作为：

1)将步骤b)得到的粗粒化体系的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数进行逆玻尔兹曼变换，得出初始的粗粒化力场；

2)使用初始的粗粒化力场进行模拟；

3)比较粗粒化力场模拟下的压强与大气压(1atm)，若两者偏差较大，则进行压强校正，直至两者之间的偏差在百分之一内；

4)进行粗粒化模拟，得出粗粒化体系的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数；

5)对比粗粒化体系的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数与步骤b)中得出的相应分布函数，若粗粒体系中的分布函数与步骤b)中相应分布函数之间偏差在百分之一内，则得出最终的粗粒化力场，否则，对最新的粗粒化体系中的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数进行数次迭代波尔兹曼变换；

6)利用步骤5)得出的力场，重复3)-5)的步骤，得到最终的粗粒化力场，即粗粒后聚乙烯的力场参数。

通过以上步骤，我们可以得到聚乙烯体系的粗粒化模型力场，并可用于研究体系的流变学等性质。

上述方法构建得到的模型也属于本发明的保护范围。

本发明具有如下有益效果：

通过本发明所述的一种采用粗粒化耗散粒子动力学研究缠结聚乙烯熔体流变学性质的模型构建方法，极大提高模拟效率，拓展模拟的所能达到分子量和时间尺度，为预测材料性质打下基础。

本发明采用介观尺度下的耗散粒子动力学来研究分析缠结聚乙烯熔体流变学性质，以此提高模拟效率，拓展模拟所能达到的分子量和时间尺度。同时，对原子尺度下的聚乙烯体系采用粗粒化方法，来建立耗散粒子动力学模拟中所使用的力场参数，使模拟体系具有特定的化学特性。

附图说明

图1示出了本发明所采用的粗粒化映射方法。

图2示出本发明具体的粗粒化模型构建的操作流程。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

以链长为120个碳原子数的线形聚乙烯熔体为例，来阐述上述建模方法的具体实施步骤(如图2所示)：

(1)使用TraPPE联合力场，在温度为450K、气压为1atm下，对聚乙烯熔体进行原子分子动力学模拟，得出该尺度下的体系构象信息；

(2)选取粗粒化映射方案(如图1所示)，对步骤(1)中得的构象进行映射，并分析映射后的粗粒化体系的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数；

(3)将步骤(2)得到的粗粒化体系的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数进行逆玻尔兹曼变换，得出初始的粗粒化力场；

(4)使用初始的粗粒化力场进行模拟；

(5)比较粗粒化力场模拟下的压强与大气压(1atm)，若两者偏差较大，则进行压强校正，直至两者之间的偏差在百分之一内；

(6)进行粗粒化模拟，得出粗粒化体系的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数；

(7)对比粗粒化体系的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数与步骤(2)中得出的相应分布函数，若粗粒体系中的分布函数与步骤(2)中相应分布函数之间偏差在百分之一内，则得出最终的粗粒化力场，否则，对最新的粗粒化体系中的键长、键角分布函数和非键接粒子对的径向分布函数进行数次迭代波尔兹曼变换；

利用步骤(7)得出的力场，重复(5)-(7)的步骤。

使用上述方法得出的粗粒化力场进行耗散粒子动力学模拟，粗粒化力场模拟得出的体系密度为0.76g/cm3，与原子动力学模拟中得出的0.76g/cm3相同；应力松弛函数中得出的平台模量为2.3MPa，与原子动力学模拟结果一致。与原子动力学模拟相比，使用粗粒化力场模拟时，可以提高50倍的模拟效率。说明构建的粗粒化力场参数是准确的。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。