CN113094926B - 一种基于分子模拟的耐火电缆材料关键性能筛选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分子模拟的耐火电缆材料关键性能筛选方法，包括步骤1)建立聚合物和各功能助剂模型；2)对各模型进行几何优化，得到最稳定的各有机物橡胶基体和其他成分的几何构型；3)按照各成分配比建立若干个不定型结构并进行筛选；4)对筛选出的结构进行退火；5)对退火后的结构进行不同温度下的分子动力学模拟；6)对各温度下稳定结构的关键性能参数进行计算：根据不同温度下的稳定微观结构在力场下的势能E进行关键性能计算，得到关键性能参数：自由体积分数FFV和内聚能密度CED；7)不同材料间进行关键性能参数的横向对比，并筛选材料。本发明筛选结果可靠性高，可用于指导电缆耐火材料的研发与生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐火材料筛选方法，特别是涉及一种基于分子模拟的耐火电缆材料关键性能筛选方法。
背景技术
耐火电缆是指在外层结构被点燃后能够保持一定时间安全运行的电缆。耐火电缆广泛应用于城市基础设施、重要的工矿企业等或是消防安全要求较高的场合，尤其是应用于消防设备及紧急向导灯等应急设施的供电或控制线路。
耐火电缆特定结构，如三芯电缆填充层的材料选型成为一种刚需。评价耐火电缆材料性能优劣的标准，一是材料的热稳定性，即热学性质；二是材料的机械性质，包含杨氏模量、剪切模量、泊松比等力学性质以及硬度、刚度等典型指标。工业领域中对于电缆材料热学性质的检验方法大多是将材料置于高温环境下，如采用煅烧的方法，并进行不同样品间的对照实验，力学性质检验则大多采用制作哑铃状切片，并进行拉伸实验。传统的拉伸实验有较大的缺陷，例如拉伸实验结果往往受到诸多主客观因素的影响而产生误差，
因此本领域技术人员致力于开发一种基于分子模拟的耐火电缆材料关键性能筛选方法，能快速准确、客观的评价电缆材料的关键性能，从而筛选出最佳耐火材料。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种于分子模拟的耐火电缆材料关键性能筛选方法，能快速准确、客观的评价电缆材料的关键性能，从而筛选出最佳耐火材料。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于分子模拟的耐火电缆材料关键性能筛选方法，包括以下步骤：
1)建立聚合物和各功能助剂模型：使用分子模拟软件构建耐火电缆材料中各有机物橡胶基体和其他成分的单体模型；
2)对各模型进行几何优化，得到最稳定的各有机物橡胶基体和其他成分的几何构型；
3)按照各成分配比建立若干个不定型结构并进行筛选：根据各有机物橡胶基体和其他成分的几何构型，设定组分配比、温度和密度，建立若干个不定型微观结构，通过对比不定型微观结构的体系总势能，筛选出最稳定的不定型微观结构，并进行几何优化；
4)对筛选出的结构进行退火；
5)对退火后的结构进行不同温度下的分子动力学模拟，在不同温度下，借助力场对几何优化后的不定型微观结构进行分子动力学计算，得到不同温度下的稳定微观结构；
6)对各温度下稳定结构的关键性能参数进行计算：根据不同温度下的稳定微观结构在力场下的势能E进行关键性能计算，得到关键性能参数：自由体积分数FFV和内聚能密度CED；
7)不同材料间进行关键性能参数的横向对比，并筛选材料。
较佳的，所述步骤7)中关键性能参数的横向对比的方法为：首先对比各组材料在同一温度下的内聚能密度及不同温度下的变化趋势；筛选出同一温度下总内聚能密度最大的配方；若存在不同组之间内聚能密度折线交叉情况，则温度较高时内聚能密度大的优选；若存在两组配方在不同温度下内聚能密度均相同的情况，则比较各组在同一温度下的自由体积分数，同一温度下自由体积分数更小的优选；若存在不同组之间内聚能密度折线交叉情况，则温度较高时自由体积分数小的优选。
较佳的，所述步骤6)中，势能E的表达式为：
E＝ER+Eθ+Eφ+Eω+Evdw+Eel
上述公式中，ER表示键伸缩能，Eθ表示键角弯曲能，Eφ表示二面角扭转能，Eω表示倒转项，Evdw表示范德华项，Eel表示静电项；
其中：
kIJ为常数，rIJ为标准键长，DIJ为键解离能，r为实际键长，e为自然常数
其中：
Eθ＝KIJK[1+cos(pθ+Ψ)]
Ψ＝π-pθ0
p＝π/(π-θ0)
θ0为标准键角，θ为实际键角，KIJK为常数；
其中：
Vφ为旋转能障，φ0为二面角标准值，φ为二面角实际值，n为一个常数，其中：
Eω＝KIJKL(C0+C1 coswIJKL+C2 cos2wIJKL)
KIJKL为常数，ωIJKL是原子构成的IL轴和IJK面的夹角，K、J、L为与原子I结合的原子，c0、c1、c2均为膨胀系数，
C0＝C2(2cos2θ0+1)
C1＝-4C2 cosθ0
C2＝1/(4sin2θ0)
其中：
DI和DJ均为原子的范德华能量，xIJ是定义的范德华键长，xI为I原子的范德华半径，xJ为J原子的范德华半径，x为原子I和原子J之间的实际距离；
其中：
Qi、Qj是以电子为单位的电荷，Rij是原子间的距离，ε为相对介电常数。
较佳的，所述步骤6)中，自由体积分数FFV和内聚能密度CED的表达式为：
Vf为自由体积，VO为占据体积，HV为摩尔蒸发热，RT为汽化所需膨胀功，Vm为摩尔体积。
较佳的，所述步骤5)中，对退火后的结构进行不同温度下的分子动力学模拟时包括对体系预热和二次驰豫。
较佳的，步骤5)中，不同温度的温度范围设置为673K-1073K，温度梯度为100K，经NVT系综和NPT系综的分子动力学模拟的时长分别为150ps和150ps。
本发明的有益效果是：本发明以软件仿真作为主要手段，不受实验设备、实验场地，原材料的限制的影响，随机性小，结果可靠性高，可用于指导电缆耐火材料的研发与生产；计算机仿真可构出电缆材料的多个模型，并通过相关物性参数的计算过程评估电缆材料的耐火性优劣；还可以根据耐火电缆的使用场景进行筛选出不同的耐火材料。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式的流程示意图。
图2是本发明一具体实施方式中对材料1处理的流程示意图。
图3是本发明一具体实施方式中对材料2处理的流程示意图。
图4是本发明一具体实施方式中筛选得到的材料1陶瓷化PVC材料在298K下的不定型结构示意图。
图5是本发明一具体实施方式中几何优化得到的材料1陶瓷化PVC材料在298K下的不定型结构示意图。
图6是本发明一具体实施方式中筛选得到的材料2经陶瓷化PE-EVA材料在298K下的不定型结构示意图。
图7是本发明一具体实施方式中经几何优化得到的材料2陶瓷化PE-EVA材料在298K下的不定型结构示意图。
具体实施方式
电缆结构中除导体、金属屏蔽及铠装外的其他结构的材料多是由聚合物组成或是以聚合物作为基体。聚合物是由一种或多种单体以一定的排列规律，借助一定的工艺聚合而成的一类高分子化合物的统称。由于分子中的单键能够以不同的扭转角发生扭转，使得分子有多种构型，且聚合物与金属等具有规则微观排列的物质不同，其在三维空间中呈现一种不规则排布的非定型结构。
本发明通过借助分子模拟建构出电缆材料的多个模型，并通过相关物性参数的计算过程评估电缆材料的耐火性优劣，并根据使用场景进行筛选，提供一种基于分子模拟的耐火电缆材料关键性能筛选方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)建立聚合物和各功能助剂模型：使用分子模拟软件构建耐火电缆材料中各有机物和其他成分的橡胶基体单体模型。本实施例中，用Materials Studio构建耐火电缆材料中有各机物各其他成份的橡胶基体单体模型。
2)对各模型进行几何优化。本实施例中，运用Universal力场进行几何优化，再次使用Forcite模块的几何优化功能，得到最稳定的橡胶基体单体模型几何构型。橡胶基体占据整个配方中大量的质量，可能是硅橡胶、PVC、PE、EVA、三元乙丙橡胶或多种高分子有机物的混合物。
其他成分包括成瓷剂、成瓷填料、助熔剂、补强剂、阻燃剂、热稳定剂、润滑剂、抗氧化剂等单体模型，如有需要，针对某些特定组分构建纳米级别的团簇结构。
3)按照各成分配比建立若干个不定型结构并进行筛选：根据实际生产需要或人为规定的组分配比，并视情况忽略质量比重较小的组分(本实施例中质量比重较小的组分是指组分质量分数在0.2wt％以下的组分)，使用分子模拟软件自带的amorphous cell模块，设室温度及相应密度(由于建模模拟中是将一些不同的单体混合到一个体系里面，温度会影响组分的密度，考虑到配方参考的密度以及这一密度对应的温度，温度和密度均需设定)。本实施例中，设定温度为298K，并设定相应的密度。然后建立若干个微观结构，以体系总势能大小为判断依据筛选出最稳定的结构。体系总势能越小，结构越稳定。
其后，借助universal力场进行几何优化，为提高计算的准确性和稳定性，可以在配比不变的前提下，通过成倍数提高微观体系各个单体的数量，以建立更大的不定型微观结构。
4)对筛选出的结构进行退火。即对经历几何优化的体系进行多次退火处理。本实施例中，进行5次退火即可，然后使用NPT系综将体系升温至1073K。
5)对退火后的结构进行不同温度下的分子动力学模拟，具体方法为：在1073K下对基本稳定构型的微观结构分别进行使用NVT系综和NPT系综的分子动力学计算，首先使用NVT系综进行体系预热，得到特定温度及体积下的平衡化微观体系，然后使用NPT系综对体系进行二次驰豫，即二次平衡化，使微观体系的性质趋向稳定，得到特定温度及压强下的平衡化微观体系。
设置一定的温度梯度，对微观体系进行降温，温度范围设置为673K-1073K，温度梯度为100K，经NVT系综和NPT系综的分子动力学模拟的时长分别为150ps和150ps，得到一组数据。
6)对各温度下稳定结构的关键性能参数进行计算。在Universal力场作用下，微观结构的几何势能可写成多种二体、三体和四体等相互作用的叠加，即表示为成键作用和非成键作用的总和。因此，微观结构在力场下的势能E表达式为：
E＝ER+Eθ+Eφ+Eω+Evdw+Eel
上述公式中，ER表示键伸缩能，Eθ表示键角弯曲能，Eφ表示二面角扭转能，Eω表示倒转项，Evdw表示范德华项，Eel表示静电项；
其中，用摩尔斯函数形式表示的ER函数表达式为：
kIJ为I、J原子间作用力相关的常数，其单位为
rIJ为标准键长，其单位为
即埃米；DIJ为键解离能，单位为kcal/mol，大小为70kcal/mol，r为实际键长，e为自然常数，其值约为2.718。
其中，以简化余弦傅里叶展开形式表示的角度弯曲能Eθ函数表达式为：
Eθ＝KIJK[1+cos(pθ+Ψ)]
Ψ＝π-pθ0
p＝π/(π-θ0)
θ0为标准键角，θ为实际键角，KIJK为与I、J、K原子形成键角相关常数。
其中，二面角扭转能Eφ的函数表达式为：
Vφ为旋转能障，即异构体分子因特定键旋转特定角度，而形成另一异构分子所需的能量，φ0为二面角标准值，φ为二面角实际值。n为一个常数，其由用于形成二面角的中间两个原子的杂化轨道类型决定。
其中，倒转项能量Eω的函数表达式为：
Eω＝KIJKL(C0+C1 coswIJKL+C2 cos2wIJKL)
KIJKL为I、J、K、L四个原子所形成二面角的相关常数，单位为kcal/mol。ωIJKL是原子构成的IL轴和IJK面的夹角，K、J、L为与原子I结合的原子，c0、c1、c2均为膨胀系数，
C0＝C2(2cos2θ0+1)
C1＝-4C2 cosθ0
C2＝1/(4sin2θ0)
其中，范德华项能量Evdw遵循Lennard-Jones 6-12型表达式为：
x为原子I和原子J之间的实际距离，xIJ是定义的范德华键长，单位是
DI和DJ分别为原子I和原子J的范德华能量，XIJ是定义的范德华键长，xI为I原子的范德华半径，xJ为J原子的范德华半径，x为原子I和原子J之间的实际距离；
DIJ是阱深，单位是kcal/mol，其表达式采用标准的阱深几何组合规则：
DI和DJ均为原子的范德华能量。
其中，静电项能量Eel的表达式为：
Qi、Qj是以电子为单位的电荷，Rij是原子间的距离，单位为
ε为相对介电常数，默认值为1。
对得到的不同温度下的稳定微观结构进行关键性能计算，即根据势能E值进行关键性能计算，得到包括自由体积分数FFV和内聚能密度CED的关键性能参数。
其中，自由体积分数FFV的表达式为：
Vf为自由体积，VO为占据体积，自由体积率越大，说明不定型结构体系抵御小分子渗透的能力越差，对应宏观的陶瓷化聚烯烃材料而言，则抵御可燃气体或助燃气体的能力越差。
内聚能密度CED的表达式为：
HV为摩尔蒸发热，RT为汽化所需膨胀功，Vm为摩尔体积，对应宏观的陶瓷化聚烯烃材料，内聚能密度越大，热稳定性越强。
7)不同材料间进行关键性能参数的横向对比，并筛选材料。
具体方法为：首先对比各组在同一温度下的内聚能密度及不同温度下的变化趋势；筛选出同一温度下总内聚能密度最大的配方；若存在不同组之间内聚能密度折线交叉情况，则温度较高时内聚能密度大的优选。若存在两组配方在不同温度下内聚能密度均相同的情况，则比较各组在同一温度下的自由体积分数，同一温度下自由体积分数更小的优选；若存在不同组之间内聚能密度折线交叉情况，则温度较高时自由体积分数小的优选。
分子力场是用于计算微粒间相互作用，包括成键作用、范德华作用和氢键作用等的媒介。本发明分子力场函数是根据多次实验结果所得到经验公式，其相比量子力学从头计算方法，具有计算量小，计算速度快的特点，且计算精度与量子力学计算方法相当，分子力学方法对比大分子复杂体系更为实用、有效。
采用本实施方式中的方法进行如下试验：
材料1：一种陶瓷化PVC材料
陶瓷化PVC材料的配方为：
橡胶基体：PVC；
成瓷剂：低熔点T112玻璃粉；主要成分P2O5:45.8％，Al2O3:24.1％，K2O:14.3％，Na2O:10.2％，SiO2:5.6％；
成瓷填料：煅烧陶土，主要成分Al2O3:62.96％，SiO2:37.04％；
其他成分：DOP。
按照如图2所示方法进行试验：对材料1进行本实施方式中的上述方法步骤1)至步骤6)。
具体为步骤：
1)建立PVC和各功能助剂模型。
2)对各模型进行几何优。
3)按照各成分配比建立若干个不定型结构并进行筛选。具体筛选方法如上所示，经筛选得到陶瓷化PVC材料在298K的不定型结构如图4所示。其后借助universal力场进行几何优化，建立起更大的不定型微观结构如图5所示。
4)对筛选出的结构进行退火。
5)对退火后的结构进行不同温度下的分子动力学模拟。
6)对各温度下稳定结构的关键性能参数进行计算。根据前述方法对材料1陶瓷化PVC材料经分子动力学模拟后，在673K-1073K下的内聚能密度CED和自由体积分数分别如表1和表2所示：
表1陶瓷化PVC材料的内聚能密度CED
表2陶瓷化PVC材料的自由体积分数FFV
材料2：一种陶瓷化PE-EVA材料。
陶瓷化PE-EVA材料的配方为：
橡胶基体：聚乙烯，27.7％EVA；
成瓷剂：SiO2；
成瓷填料：硅灰石，主要成分为CaO和SiO2
其他成分：马来酸酐。
按照如图3所示方法进行试验：对材料2进行本实施方式中的上述方法步骤1)至步骤6)。
具体为步骤：
1)建立PE、EVA和各功能助剂模型。
2)对各模型进行几何优化。
3)按照各成分配比建立若干个不定型结构并进行筛选。具体筛选方法如上所示，经筛选得到陶瓷化PVC材料在298K的不定型结构如图6所示。其后借助universal力场进行几何优化，建立起更大的不定型微观结构如图7所示。
4)对筛选出的结构进行退火。
5)对退火后的结构进行不同温度下的分子动力学模拟。
6)对各温度下稳定结构的关键性能参数进行计算。根据前述方法对材料1陶瓷化PVC材料经分子动力学模拟后，在673K-1073K下的内聚能密度CED和自由体积分数分别如表3和表4所示：
表3陶瓷化PE-EVA材料的内聚能密度CED
表4陶瓷化PE-EVA材料的自由体积分数FFV
再对材料1和材料2实施步骤7)不同材料间进行关键性能参数的横向对比，并筛选材料。
具体方法为：首先对比各组在同一温度下的内聚能密度及不同温度下的变化趋势；筛选出同一温度下总内聚能密度最大的配方；若存在不同组之间内聚能密度折线交叉情况，则温度较高时内聚能密度大的优选。若存在两组配方在不同温度下内聚能密度均相同的情况，则比较各组在同一温度下的自由体积分数，同一温度下自由体积分数更小的优选；若存在不同组之间内聚能密度折线交叉情况，则温度较高时自由体积分数小的优选。
根据步骤7)所述方法，本实施方式中所选取的陶瓷化PVC材料的内聚能密度CED大于所选取的陶瓷化PE-EVA材料的内聚能密度CED，故根据本申请所述材料筛选依据，优选陶瓷化PVC材料。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于分子模拟的耐火电缆材料关键性能筛选方法，其特征是，包括以下步骤：
1)建立聚合物和各功能助剂模型：使用分子模拟软件构建耐火电缆材料中各有机物橡胶基体和其他成分的单体模型；
2)对各模型进行几何优化，得到最稳定的各有机物橡胶基体和其他成分的几何构型；
3)按照各成分配比建立若干个不定型结构并进行筛选：根据各有机物橡胶基体和其他成分的几何构型，设定组分配比、温度和密度，建立若干个不定型微观结构，通过对比不定型微观结构的体系总势能，筛选出最稳定的不定型微观结构，并进行几何优化；
4)对筛选出的结构进行退火；
5)对退火后的结构进行不同温度下的分子动力学模拟，在不同温度下，借助力场对几何优化后的不定型微观结构进行分子动力学计算，得到不同温度下的稳定微观结构；
6)对各温度下稳定结构的关键性能参数进行计算：根据不同温度下的稳定微观结构在力场下的势能E进行关键性能计算，得到关键性能参数：自由体积分数FFV和内聚能密度CED；
7)不同材料间进行关键性能参数的横向对比，并筛选材料；
所述步骤6)中，势能E的表达式为：
E＝ER+Eθ+Eφ+Eω+Evdw+Eel
上述公式中，ER表示键伸缩能，Eθ表示键角弯曲能，Eφ表示二面角扭转能，Eω表示倒转项，Evdw表示范德华项，Eel表示静电项；
其中：
kIJ为常数，rIJ为标准键长，DIJ为键解离能，r为实际键长，e为自然常数其中：
Eθ＝KIJK[1+cos(pθ+Ψ)]
Ψ＝π-pθ0
p＝π/(π-θ0)
θ0为标准键角，θ为实际键角，KIJK为常数；
其中：
Vφ为旋转能障，φ0为二面角标准值，φ为二面角实际值，n为一个常数，
其中：
Eω＝KIJKL(C0+C1 coswIJKL+C2 cos2wIJKL)
KIJKL为常数，ωIJKL是原子构成的IL轴和IJK面的夹角，K、J、L为与原子I结合的原子，c0、c1、c2均为膨胀系数，
C0＝C2(2cos2θ0+1)
C1＝-4C2 cosθ0
C2＝1/(4sin2θ0)
其中：
DI和DJ均分别为原子I和J的范德华能量，XIJ是定义的范德华键长，xI为I原子的范德华半径，xJ为J原子的范德华半径，x为原子I和原子J之间的实际距离；
其中：
Qi、Qj是以电子为单位的电荷，Rij是原子间的距离，ε为相对介电常数；
步骤6)中，自由体积分数FFV和内聚能密度CED的表达式为：
Vf为自由体积，VO为占据体积，HV为摩尔蒸发热，RT为汽化所需膨胀功，Vm为摩尔体积。
2.根据权利要求1所述的基于分子模拟的耐火电缆材料关键性能筛选方法，其特征是：所述步骤7)中关键性能参数的横向对比的方法为：首先对比各组材料在同一温度下的内聚能密度及不同温度下的变化趋势；筛选出同一温度下总内聚能密度最大的配方；若存在不同组之间内聚能密度折线交叉情况，则温度较高时内聚能密度大的优选；若存在两组配方在不同温度下内聚能密度均相同的情况，则比较各组在同一温度下的自由体积分数，同一温度下自由体积分数更小的优选；若存在不同组之间内聚能密度折线交叉情况，则温度较高时自由体积分数小的优选。
3.根据权利要求1所述的基于分子模拟的耐火电缆材料关键性能筛选方法，其特征是：步骤5)中，对退火后的结构进行不同温度下的分子动力学模拟时包括对体系预热和二次驰豫。
4.根据权利要求1所述的基于分子模拟的耐火电缆材料关键性能筛选方法，其特征是：步骤5)中，不同温度的温度范围设置为673K-1073K，温度梯度为100K，经NVT系综和NPT系综的分子动力学模拟的时长分别为150ps和150ps。
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| CN107674444A (zh) * | 2017-10-17 | 2018-02-09 | 成都新柯力化工科技有限公司 | 一种再生塑料回收用于电缆护套料的方法 |
| CN111441246A (zh) * | 2019-01-16 | 2020-07-24 | 东南大学 | 一种高强大体积强约束索塔混凝土裂缝控制方法 |
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