JP4665614B2 - Polymer material design system - Google Patents

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Description

本発明は、所望の目的に適したポリマー材料を効率よく設計するシステムに関する。
The present invention relates to efficiently design to Resid stem polymeric materials suitable for the desired purpose.

ポリマー材料のマクロな特性(摩擦特性、粘弾性、光学特性等)を改良するための従来の主な方法は、現実のポリマー材料を使用して該材料の前記特性を実験的に測定し、得られた測定値が所定の目標を満足しない場合には異なる現実のポリマー材料(例えば、ポリマーの構造やモノマー組成等の、前記特性に影響し得ると考えられるファクターのうち少なくともひとつが異なるポリマー材料)を用いて該材料の前記特性を再び実験的に測定し、満足できるポリマー材料が得られるまでこの手順を繰り返すという、いわば試行錯誤によるものであった。しかし、種々のポリマー材料を現実に入手し、それらの材料のマクロ特性を実験的に測定するには人手、時間等のコストがかかる。また、現実の実験では環境条件を精確にコントロールすることは難しいため、実験の精度および再現性が不足しがちである。   The main conventional methods for improving the macroscopic properties (friction properties, viscoelasticity, optical properties, etc.) of polymer materials are obtained by experimentally measuring the properties of the material using real polymer materials. A different real polymer material if the measured value does not meet a given target (eg, a polymer material that differs in at least one of the factors that may affect the properties, such as polymer structure or monomer composition) The above-mentioned properties of the material were experimentally measured again using, and this procedure was repeated until a satisfactory polymer material was obtained. However, it takes manpower and time to actually obtain various polymer materials and experimentally measure the macro characteristics of these materials. Moreover, since it is difficult to accurately control environmental conditions in actual experiments, the accuracy and reproducibility of the experiments tend to be insufficient.

一方、分子動力学法に基づくコンピュータシミュレーションによって材料のマクロな特性を予測しようとする試みがなされている。一般に分子動力学法では、材料を構成する個々の粒子の運動を追跡する。それらの粒子の運動の軌跡(トラジェクトリ)から材料のマクロな性質を予測し得るものと期待されている。この種の技術に関連する従来技術文献として特許文献1が挙げられる。   On the other hand, attempts have been made to predict macroscopic properties of materials by computer simulation based on molecular dynamics methods. In general, molecular dynamics tracks the movement of individual particles that make up a material. It is expected that the macroscopic properties of materials can be predicted from the trajectories (trajectories) of the movements of those particles. Patent document 1 is mentioned as a prior art document relevant to this kind of technique.

国際公開第97/06496号パンフレットInternational Publication No. 97/06496 Pamphlet

しかし、ポリマー材料のマクロ特性を予測するにあたっては、このような分子動力学的手法を単純に適用することは不適当である。これは、ポリマー材料では一分子のポリマーに含まれる原子数が非常に多い(通常は少なくとも103個以上、しばしば104個以上)こと、および、ポリマー材料のマクロ特性を予測するために考慮すべき時間と長さのスケールが大きい(換言すれば、緩和時間が長い)ことに関連している。これらの事情から、個々の原子のトラジェクトリを追跡する原子レベルの分子動力学的シミュレーションによってポリマー材料のマクロ特性を予測しようとしても、現実的な計算コストによって有用な結果を得ることは困難である。計算コストを削減するため、ひとつの分子(例えばベンゼン)をひとつの粒子としてモデル化した取り扱いをする技術も知られている。しかし、一分子のポリマーをひとつの粒子として表すモデルでは、ポリマ材料のマクロな挙動に重要な影響を及ぼす「もつれ効果」を説明することができない。また、特許文献1には、計算時間を短縮するため、高分子の分子鎖長から高分子の時間相関関数を経験的に推定できるとの記載がある。しかし、分子鎖長のみに基づく推定では正確性が不足し、得られる結果の有用性と計算コストとのバランスに欠ける。 However, it is inappropriate to simply apply such a molecular dynamics method in predicting the macro properties of polymer materials. This is taken into account to predict the very high number of atoms in a polymer material (usually at least 10 3 or more, often 10 4 or more) in a polymer material and to predict the macro properties of the polymer material This is related to the large scale of power time and length (in other words, the relaxation time is long). Under these circumstances, it is difficult to obtain useful results at realistic calculation costs even if it is attempted to predict the macro-characteristics of a polymer material by molecular dynamics simulation at the atomic level that tracks the trajectory of individual atoms. In order to reduce the calculation cost, a technique of handling one molecule (for example, benzene) modeled as one particle is also known. However, a model that represents a single molecule of polymer as a single particle cannot explain the “entanglement effect” that has an important effect on the macroscopic behavior of polymer materials. Patent Document 1 also describes that the time correlation function of a polymer can be estimated empirically from the molecular chain length of the polymer in order to shorten the calculation time. However, the estimation based only on the molecular chain length is insufficient in accuracy, and the balance between the usefulness of the obtained result and the calculation cost is insufficient.

本発明は、所望の用途に適した特性を有するポリマー材料を効率よく設計する方法を提供することを一つの目的とする。本発明の他の一つの目的は、所定の特性を有するポリマー材料を効率よく設計するためのシステムを提供することである。   An object of the present invention is to provide a method for efficiently designing a polymer material having properties suitable for a desired application. Another object of the present invention is to provide a system for efficiently designing a polymer material having predetermined properties.

ここに開示される一つの発明は、所望の用途に適したポリマー材料を設計する方法に関する。その方法は、所定のパラメータ群を用いてポリマー材料の粗視化モデルを得ることを含む。この粗視化モデル(coarse-grained model)では、該ポリマー材料に含まれるポリマーが、各々二以上のモノマーユニットを表す隣接する質点(mass point)が有限伸び非線形弾性(finitely-extendable-nonlinear-elastic; FENE)スプリングにより連結されたビーズ−スプリング鎖としてモデル化されている。この設計方法は、また、前記粗視化モデルを用いて前記ポリマー材料の少なくとも一つの特性を予測することを含む。また、前記パラメータ群に含まれるパラメータの少なくとも一つが前記ポリマー材料と相違する他のポリマー材料について前記特性を予測することを含む。また、これらの予測結果から該パラメータが前記特性に及ぼす影響を把握する(またはモニターする)ことを含む。前記特性の予測は、分子動力学法(MD法)に基づくシミュレーション(典型的にはコンピュータシミュレーション)によって行うことができる。好ましい一つの態様では、非平衡分子動力学法(NEMD法)に基づくシミュレーションによって該特性の予測を行うことができる。   One invention disclosed herein relates to a method of designing a polymeric material suitable for a desired application. The method includes obtaining a coarse-grained model of the polymer material using a predetermined set of parameters. In this coarse-grained model, the polymer contained in the polymer material has an adjacent mass point that represents two or more monomer units each having a finitely-extendable-nonlinear-elastic FENE) modeled as a bead-spring chain connected by a spring. The design method also includes predicting at least one property of the polymeric material using the coarse-grained model. Further, the method includes predicting the characteristics of another polymer material in which at least one of the parameters included in the parameter group is different from the polymer material. It also includes grasping (or monitoring) the influence of the parameter on the characteristics from these prediction results. The prediction of the characteristics can be performed by simulation (typically computer simulation) based on a molecular dynamics method (MD method). In a preferred embodiment, the property can be predicted by simulation based on a nonequilibrium molecular dynamics method (NEMD method).

かかる設計方法によると、現実のポリマー材料の特性を実験的に測定しなくても、良好な特性を示すと予測されるポリマー材料(すなわち、好適化または最適化されたポリマー材料)に対応するパラメータ値の組み合わせを見出すことができる。また、このように粗視化モデルを用いてポリマー材料の特性を予測するので、パラメータ値の異なる多種類のポリマー材料についての特性予測を効率よく行うことができる。したがって、計算コストを抑えて有用な結果を得ることができる。   According to such a design method, parameters corresponding to polymer materials that are expected to exhibit good properties (ie, optimized or optimized polymer materials) without experimentally measuring the properties of the actual polymer material. You can find a combination of values. In addition, since the characteristics of the polymer material are predicted using the coarse-grained model in this way, it is possible to efficiently perform the characteristic prediction for many types of polymer materials having different parameter values. Therefore, useful results can be obtained while reducing the calculation cost.

前記設計方法は、摩擦係数、粘弾性、光学特性等のマクロな特性を好適化することによってその性能が効果的に改良され得る各種用途のポリマー材料の設計に適用することができる。例えば、摩擦係数の低いポリマー材料の好適な用途としては、該ポリマー材料を成形してなる低摩擦のポリマー部品、部材の表面に配置されて低摩擦の表面を形成する低摩擦コーティング等を例示することができる。ここに開示される方法は、低摩擦コーティングの構成成分として適したポリマー材料を設計する方法として好適である。このように摩擦特性に特徴を有するポリマー材料を設計する場合には、前記粗視化モデルを用いて、所定のパラメータを用いて表された(粗視化された)ポリマー材料の少なくとも摩擦係数を予測するとよい。   The design method can be applied to the design of polymer materials for various uses whose performance can be effectively improved by optimizing macro characteristics such as coefficient of friction, viscoelasticity, and optical characteristics. For example, suitable applications of a polymer material having a low coefficient of friction include a low-friction polymer part formed by molding the polymer material, a low-friction coating that is disposed on the surface of a member to form a low-friction surface, and the like. be able to. The method disclosed herein is suitable as a method for designing a polymeric material suitable as a component of a low friction coating. When designing a polymer material having characteristics of friction characteristics in this way, using the coarse-grained model, at least the friction coefficient of the polymer material (coarse-grained) expressed using a predetermined parameter is determined. It is good to predict.

ここに開示される発明の好ましい一つの態様では、前記所定のパラメータ群が少なくとも以下のパラメータを含む。それらのパラメータのうち一つは、前記ポリマー材料に含まれるポリマーの鎖長を表す鎖長パラメータである。他の一つは、該ポリマーの屈曲性(柔軟性)を表す屈曲性パラメータである。他の一つは、前記ポリマー材料の密度を表す密度パラメータである。
これらのパラメータを含むパラメータ群によれば、ポリマー材料に含まれるポリマー分子の「もつれ効果」の的確な説明を含む粗視化モデルを得ることができる。モデル化にあたっては、前記ポリマー材料を構成するポリマー分子の化学的な詳細(特に、後述する持続長を下回る長さスケールのケミストリ、例えば結合振動等)は、無視されるか、あるいは上述した一または二以上のパラメータのなかに単純化された形で反映される。このことによって、ポリマー材料のマクロな特性(例えば摩擦係数)を、効率よくかつ的確に予測することができる。
In a preferred aspect of the invention disclosed herein, the predetermined parameter group includes at least the following parameters. One of these parameters is a chain length parameter that represents the chain length of the polymer contained in the polymer material. The other is a flexibility parameter that represents the flexibility (flexibility) of the polymer. The other is a density parameter that represents the density of the polymer material.
According to the parameter group including these parameters, a coarse-grained model including an accurate description of the “entanglement effect” of the polymer molecules contained in the polymer material can be obtained. In modeling, the chemical details of the polymer molecules constituting the polymer material (especially chemistry with a length scale below the persistence length described below, such as bond vibrations) are ignored or It is reflected in a simplified form in two or more parameters. By this, the macro characteristic (for example, friction coefficient) of the polymer material can be predicted efficiently and accurately.

前記「鎖長パラメータ」についてより詳しく説明する。
ポリマー材料に含まれるポリマー分子の鎖長(分子量または重合度に関連し、直鎖状のホモポリマーまたは直鎖状のランダムコポリマーでは分子量または重合度に比例する。)は、該ポリマー材料の緩和時間(relaxation time)や外力に対する応答速度等に対して重要な影響を及ぼす。かかる鎖長パラメータを用いることにより、ポリマー材料のマクロ特性を的確にかつ効率よくシミュレートし得る。
The “chain length parameter” will be described in more detail.
The chain length of the polymer molecules contained in the polymer material (related to the molecular weight or degree of polymerization and proportional to the molecular weight or degree of polymerization for linear homopolymers or linear random copolymers) is the relaxation time of the polymer material (Relaxation time) and response speed to external force, etc. By using such chain length parameters, the macro properties of the polymer material can be accurately and efficiently simulated.

ここに開示される発明の一つの好適な態様では、このポリマーの鎖長を、一本のポリマー鎖に含まれる質点(ビーズ)の数Nbにより表した無次元量(dimensionless quantities)としてパラメータ化する(後述する実施例参照)。このことによって、ポリマーの鎖長が無次元量として表された普遍的モデル(universal model)を得ることができる。かかる普遍的モデルにおけるポリマーの鎖長(無次元量)は、ポリマーの種類に応じた基準量(詳しくは後述する。)を適用することによって、次元のある長さ(該ポリマーの鎖長)に変換することができる。したがって、ひとつの普遍的モデルから、該普遍的モデルの鎖長(無次元量)に対応する種々のポリマーの鎖長(次元量)を求めることができる。 In one preferred embodiment of the invention disclosed herein, the polymer chain length is parameterized as dimensionless quantities represented by the number N b of mass points (beads) contained in a single polymer chain. (Refer to Examples described later). This makes it possible to obtain a universal model in which the polymer chain length is expressed as a dimensionless quantity. The polymer chain length (dimensionless amount) in such a universal model is obtained by applying a reference amount (details will be described later) according to the type of polymer to a certain length (chain length of the polymer). Can be converted. Therefore, from one universal model, the chain length (dimensional quantity) of various polymers corresponding to the chain length (dimensionalless quantity) of the universal model can be obtained.

なお、ポリマー鎖一本当たりのビーズの数Nbは、例えば、一本のポリマー鎖に含まれるモノマーユニットの数N(すなわち、該ポリマーの重合度)を該ポリマーの特性比(characteristic ratio、C)で割った値として定められる(すなわちNb=N/C)。したがって、特性比Cは各々の質点に含まれるモノマーユニットの数を表すともいえる。)。この特性比Cは、現実のポリマー鎖の外形を一定のステップ長のランダムウォーク鎖の上にマッピングするために導入された量であって、ステップ長a、ステップ数Nのランダムウォークでは、その経路(path)における末端間距離Rの二乗R2はステップ数に従う。すなわちR2=Na2である。現実のポリマー(real polymer)の分子量当たりの末端間距離Rの二乗(R2/M)、モノマーユニット間の原子的な結合長aおよびモノマーの質量m0は、実験的に(例えば光散乱または中性子散乱を通じて)得ることができる。ここで、粗視化モデルにおいても、ポリマー鎖一本当たりの質点の数Nb(ステップ数)とそれらの質点間の距離b(ステップ長)との間にR2=Nb2の関係が保たれるべきである。したがって、分子量M=Nm0およびR2/M=(Nb/M)b2=m02から、b2=R2/Nによってbを計算することができる。上記特性比はC=b2/a2により定義される。ここで、aは現実のポリマーにおけるモノマーユニット(化学的モノマー)間の結合長であり、bは該ポリマーについて実験的に測定された分子量当たりの末端間距離から推定される長さ(質点間の結合長)である。 Incidentally, the number N b of beads per Kusariichi present polymers, e.g., number of monomer units contained in a single polymer chain N (i.e., the degree of polymerization of the polymer) of the characteristic ratio of the polymer (Characteristic ratio, C ) divided by (ie, N b = N / C ). Therefore, characteristic ratio C can be said to represent the number of monomer units in the mass of each. ). This characteristic ratio C is an amount introduced to map the actual shape of the polymer chain onto a random walk chain of a certain step length, and in a random walk of step length a and number N of steps, The square R 2 of the end-to-end distance R in the path follows the number of steps. That is, R 2 = Na 2 . The square of the end-to-end distance R per molecular weight of a real polymer (R 2 / M), the atomic bond length a between monomer units, and the monomer mass m 0 are determined experimentally (eg, light scattering or Through neutron scattering). Here, also in the coarse-grained model, the relationship of R 2 = N b b 2 between the number N b (number of steps) of the mass points per polymer chain and the distance b (step length) between these mass points. Should be kept. Therefore, b can be calculated by b 2 = R 2 / N from the molecular weight M = Nm 0 and R 2 / M = (N b / M) b 2 = m 0 b 2 . The characteristic ratio is defined by C = b 2 / a 2 . Here, a is a bond length between monomer units (chemical monomers) in an actual polymer, and b is a length (between mass points) estimated from an end-to-end distance per molecular weight experimentally measured for the polymer. Bond length).

各種ポリマーについての特性比Cの値は、例えば以下の公知文献(I)〜(III)から容易に得ることができる。
(I). R. S. Porter and J. F. Johnson, Chem. Rev. 66 (1966) 1。
(II). J. Brandrup and E. H. Immergut (eds), Polymer Handbook (Wiley-Interscience, New York, 2nd ed., 1975)。
(III) S. M. Aharoni, Macromolecules 16 1867 (1978)。
表1には、これらの文献に記載された特性比Cの一部を示している。ここに開示される方法は、必要に応じて、これらの文献または表1に記載された特性比Cの値を採用して実施することができる。
The value of the characteristic ratio C for various polymers, for example can be easily obtained from the following known literature (I) ~ (III).
(I). RS Porter and JF Johnson, Chem. Rev. 66 (1966)
(II). J. Brandrup and EH Immergut (eds), Polymer Handbook (Wiley-Interscience, New York, 2nd ed., 1975).
(III) SM Aharoni, Macromolecules 16 1867 (1978).
Table 1 shows a part of the characteristic ratio C∞ described in these documents. The method disclosed here can be implemented by adopting the value of the characteristic ratio C described in these documents or Table 1 as necessary.

ここで、表1中の記号の意味は以下のとおりである。
p:持続長(persistence length)[Å]、
b:粒子(物理的モノマー)の質量[g/mol]、
a:モノマーユニット(化学的モノマー)間の結合長[Å]、
E:粒子(物理的モノマー)間の結合エネルギー[meV]、
:特性比(characteristic ratio)、
Θ:ポリマー鎖の回転半径の測定値
b:一本のポリマー鎖に含まれる粒子(物理的モノマー)の数、
A:ポリマー鎖の断面積(tube cross-section)、
c:臨界分子量(critical molecular weight)。
表1の最下欄には、この技術分野においてよく使用される代表的なモデルポリマー(FENE model polymer)についての各種パラメータの値を示している。
Here, the meanings of the symbols in Table 1 are as follows.
l p : persistence length [Å],
m b : mass [g / mol] of particles (physical monomer),
a: bond length between monomer units (chemical monomers) [モ ノ マ ー],
E: binding energy between particles (physical monomers) [meV],
C : characteristic ratio,
R Θ : measured value of the rotation radius of the polymer chain N b : number of particles (physical monomer) contained in one polymer chain,
A: cross section of the polymer chain (tube cross-section)
N c : critical molecular weight.
The bottom column of Table 1 shows values of various parameters for a typical model polymer (FENE model polymer) often used in this technical field.

なお、ポリマー鎖一本当たりのビーズの数が大きすぎる場合および小さすぎる場合にはシミュレーションの精度(ひいては有用性)が低下傾向となることがある。ここに開示される発明は、例えば、ポリマー鎖当たりのビーズの数が3〜400個程度(より好ましくは5〜50個程度)としてモデル化されるポリマーに対して好ましく適用される。次元量で表すなら、鎖長の平均値が凡そ10〜500nmの範囲(より好ましくは、凡そ50〜300nmの範囲)にあるポリマーに対して好ましく適用することができる。   If the number of beads per polymer chain is too large or too small, the accuracy of simulation (and thus usefulness) may tend to decrease. The invention disclosed here is preferably applied to, for example, a polymer that is modeled with the number of beads per polymer chain being about 3 to 400 (more preferably about 5 to 50). In terms of a dimensional quantity, it can be preferably applied to a polymer having an average chain length in the range of about 10 to 500 nm (more preferably in the range of about 50 to 300 nm).

次に、前記「屈曲性パラメータ」について説明する。
この屈曲性パラメータは、例えば、ポリマーの持続長(persistence length)lpを用いて表すことができる。持続長lpは、一面において、現実のポリマーの主鎖(backbone)に沿った接線−接線の相関関数(tangent-tangent correlation)として定義される。この定義による持続長は、分散実験(scattering experiment)から、次式
により得ることができる。ここで、tpは、ポリマーの外形上の位置pにおける、該ポリマー鎖の外形に対する接線の単位ベクトルである。また、tp+sは、ポリマーの外形上の位置p+s(sは任意の位置)における、該ポリマー鎖の外形に対する接線の単位ベクトルである。
また、持続長lpは、特性比Cおよびモノマー間の結合長aから、次式
により求めることも可能である(表1参照。)。
上記持続長は、ポリマー鎖が直線性を維持する長さ(すなわちポリマー鎖の剛直性(stiffness))を表す指標であって、持続長の値が大きいほどポリマー鎖の剛直性が高い(したがって屈曲性または柔軟性が低い)といえる。ポリマーの持続長はその化学的性質によって定まり、持続長を下回る長さスケールにおける現象(原子間の結合振動等)はポリマー材料のマクロ挙動(例えば摩擦係数)に対する寄与が少ない。そこで、この持続長を用いてポリマーの屈曲性をパラメータ化することによって、ポリマー材料のマクロ特性を的確にかつ効率よくシミュレートすることができる。
Next, the “flexibility parameter” will be described.
This flexibility parameter can be expressed, for example, using the persistence length l p of the polymer. The persistence length l p is defined in one aspect as a tangent-tangent correlation along the actual polymer backbone. Based on the scattering experiment, the sustained length according to this definition is
Can be obtained. Here, t p is at position p on the outer shape of the polymer, is a unit vector of the tangent to the outer shape of the polymer chains. T p + s is a unit vector of a tangent to the outer shape of the polymer chain at a position p + s (s is an arbitrary position) on the outer shape of the polymer.
Further, the persistence length l p is calculated from the following equation from the characteristic ratio C and the bond length a between monomers:
(See Table 1).
The persistence length is an index representing the length of the polymer chain that maintains linearity (that is, the stiffness of the polymer chain). The greater the persistence value, the higher the rigidity of the polymer chain (and hence the bending). Or low flexibility). The persistence length of the polymer is determined by its chemical properties, and phenomena on a length scale below the persistence length (such as bond vibrations between atoms) contribute little to the macro behavior (eg, coefficient of friction) of the polymer material. Therefore, the macro characteristics of the polymer material can be accurately and efficiently simulated by parameterizing the flexibility of the polymer using this sustained length.

ここに開示される方法に使用する屈曲性パラメータとしては、ポリマーの持続長lpを該ポリマーの質点間の結合長bで割って得られた無次元量(lp/b)を採用し得る(後述する実施例参照)。これにより、ポリマーの屈曲性が無次元量として表された普遍的モデルを得ることができる。かかる普遍的モデルを用いることにより、鎖長パラメータについての上記説明と同様に、該普遍的モデルの屈曲性(無次元量)に対応する種々のポリマーの屈曲性(次元量)を求めることができる。 As the flexibility parameter used in the method disclosed herein, a dimensionless quantity (l p / b) obtained by dividing the sustained length l p of the polymer by the bond length b between the mass points of the polymer can be adopted. (See examples below). Thereby, a universal model in which the flexibility of the polymer is expressed as a dimensionless quantity can be obtained. By using such a universal model, the flexibility (dimensional quantity) of various polymers corresponding to the flexibility (non-dimensional quantity) of the universal model can be obtained in the same manner as the above description of the chain length parameter. .

また、前記「密度パラメータ」としては、例えば、シミュレートする系の単位体積に含まれるポリマーの分子数(ポリマー鎖の本数)を用いて表された無次元量を用いることができる。また、単位体積に含まれる質点の数を用いて表された無次元量を使用してもよい。ここに開示される方法の典型的な態様では、少なくとも一方向に対して周期的な境界条件を採用してシミュレーションを行う。該周期境界条件における基本セルを前記単位体積とし、そこに含まれるポリマーの分子数または質点(ビーズ)の数を用いて、系(system)の密度が無次元量としてパラメータ化された普遍的モデルを得ることができる。該普遍的モデルを用いることにより、鎖長パラメータについての上記説明と同様に、該普遍的モデルの密度(無次元量)に対応する種々の系の密度(次元量)を求めることができる。   Further, as the “density parameter”, for example, a dimensionless quantity represented by using the number of polymer molecules (number of polymer chains) included in the unit volume of the system to be simulated can be used. A dimensionless quantity expressed using the number of mass points included in the unit volume may be used. In a typical aspect of the method disclosed herein, the simulation is performed using a periodic boundary condition in at least one direction. A universal model in which the basic cell in the periodic boundary condition is the unit volume, and the density of the system is parameterized as a dimensionless quantity using the number of molecules or the number of mass points (beads) of the polymer contained therein. Can be obtained. By using the universal model, the density (dimensional quantity) of various systems corresponding to the density (non-dimensional quantity) of the universal model can be obtained in the same manner as the above description of the chain length parameter.

本発明では、前記特性を予測するために、前記ポリマー鎖の一端が繋ぎとめられたポリマーコーティングを有する表面を備える第一の壁と、該ポリマーコーティングを有する表面と向かい合う表面であってポリマーコーティングを有する表面を備える第二の壁とを所定のシェアレート(ずり速度)で相対移動させる条件でシミュレーションを行う。このようにポリマー材料(ポリマーコーティング)に対し剪断方向への力(外力)を与えてそのエントロピー変化(応力緩和の様子)をシミュレートすることにより、該ポリマー材料のマクロ特性(例えば時間依存摩擦係数)を適切に予測することができる。 In the present invention , in order to predict the properties, a first wall comprising a surface having a polymer coating to which one end of the polymer chain is anchored, and a surface facing the surface having the polymer coating, the polymer coating comprising: the simulation and a second wall with a front surface that Yusuke in condition for relative movement at a predetermined shear rate (shear rate). By applying a force in the shear direction (external force) to the polymer material (polymer coating) in this way and simulating the entropy change (stress relaxation state), the macro characteristics of the polymer material (eg, time-dependent friction coefficient) ) Can be appropriately predicted.

分子動力学法に基づくシミュレーションによってポリマー材料の摩擦係数を予測することには、前記粗視化モデルに含まれる質点のトラジェクトリから応力テンソル(stress tensor)を得ること、および、該応力テンソルの剪断応力成分(shear stress component)と法線応力成分(normal stress component)との比から前記ポリマー材料の摩擦係数を予測することが含まれ得る。この応力テンソルは、例えば、各質点(mass point)のコンフィギュレーション(位置およびモーメントの情報を含む)の時間関数からテンソル的ビリアル式を通じて求められる。   Predicting the coefficient of friction of a polymer material by simulation based on a molecular dynamics method includes obtaining a stress tensor from the trajectory of the mass included in the coarse-grained model, and shear stress of the stress tensor. Predicting the coefficient of friction of the polymer material from the ratio of the shear stress component and the normal stress component can be included. This stress tensor is obtained, for example, through a tensor-like virial expression from the time function of the configuration of each mass point (including position and moment information).

ここに開示される発明の一つの好ましい態様では、ポリマーコーティングを有する壁(例えば、前記第一の壁)に対する法線力を制御して前記シミュレーションを行う。この法線力は、該壁に対して垂直な方向に加わる力(または荷重)を意味する。該法線力が所定値以下となるように、または該法線力が所定の範囲内となるように制御された条件でシミュレーションを行うことが好ましい。この法線力の値または範囲を適切に設定することによって、目的とするポリマー材料の用途に合わせて、より有用なシミュレーション結果(例えば、予測される摩擦係数)を得ることができる。法線力の値は、例えば、周期境界条件における基本セルのy方向(壁に垂直な方向)のサイズを調整することによって制御することができる(後述する実施例参照)。   In one preferred embodiment of the invention disclosed herein, the simulation is performed by controlling the normal force on a wall having a polymer coating (eg, the first wall). This normal force means a force (or load) applied in a direction perpendicular to the wall. It is preferable to perform the simulation under conditions controlled so that the normal force is equal to or less than a predetermined value or so that the normal force is within a predetermined range. By appropriately setting the value or range of the normal force, a more useful simulation result (for example, a predicted coefficient of friction) can be obtained according to the intended use of the polymer material. The value of the normal force can be controlled, for example, by adjusting the size of the basic cell in the y direction (direction perpendicular to the wall) in the periodic boundary condition (see an example described later).

ここに開示される他の一つの発明は、所望の用途に適したポリマー材料を、該ポリマー材料の粗視化モデルを用いて設計するためのシステムに関する。その設計システムは、少なくとも、ポリマー材料に含まれるポリマーの鎖長を表す鎖長パラメータ、該ポリマー材料の密度を表す密度パラメータ、および、該ポリマーの屈曲性を表す屈曲性パラメータ、を含む材料パラメータを取得する手段を含む。また、少なくとも、シミュレーションを行う時間の長さを表す時間パラメータ、シミュレーションを行う系の温度を表す温度パラメータ、および、シミュレーションボックスのサイズを表すセルサイズパラメータ、を含むシミュレーション条件パラメータを取得する手段を含む。この設計システムは、また、それらのパラメータを用いて、前記ポリマー材料の粗視化モデルについて分子動力学法に基づくシミュレーションを行う手段を含む。また、そのシミュレーション結果を出力する手段を含む。ここで、前記粗視化モデルでは、前記ポリマーが各々二以上のモノマーユニットを表す隣接する質点が有限伸び非線形弾性スプリング(FENE)により連結されたビーズ−スプリング鎖としてモデル化されている。   Another invention disclosed herein relates to a system for designing a polymer material suitable for a desired application using a coarse-grained model of the polymer material. The design system includes at least material parameters including a chain length parameter representing a chain length of a polymer contained in the polymer material, a density parameter representing a density of the polymer material, and a flexibility parameter representing the flexibility of the polymer. Means for obtaining. Further, it includes means for obtaining a simulation condition parameter including at least a time parameter indicating a length of time for performing the simulation, a temperature parameter indicating the temperature of the system for performing the simulation, and a cell size parameter indicating the size of the simulation box. . The design system also includes means for performing a simulation based on molecular dynamics on the coarse-grained model of the polymer material using those parameters. Also included is a means for outputting the simulation result. Here, in the coarse-grained model, the polymer is modeled as a bead-spring chain in which adjacent mass points each representing two or more monomer units are connected by a finite-elongation nonlinear elastic spring (FENE).

ここに開示される発明では、さらに、前記シミュレーションを、前記ポリマー鎖の一端が繋ぎとめられたポリマーコーティングを有する表面を備える第一の壁と、該ポリマーコーティングを有する表面に対面する表面であってポリマーコーティングを有する表面を備える第二の壁とが所定のシェアレートで相対移動する条件で行う。前記シェアレートは、前記シェアレートを表すシェアレートパラメータとして前記シミュレーション条件パラメータに含まれ得る。他の一つの好ましい態様では、前記第一の壁に対する法線力を制御して前記シミュレーションを行う。前記法線力は、前記第一の壁に加わる法線力の値または範囲を指定する制御法線力パラメータとして、前記シミュレーション条件パラメータに含まれ得る。 In the invention disclosed herein, the simulation may further include a first wall including a surface having a polymer coating to which one end of the polymer chain is tethered, and a surface facing the surface having the polymer coating. a second wall under the condition that the relative movement at a predetermined shear rate with a front surface that have a polymer coating. The share rate may be included in the simulation condition parameter as a share rate parameter representing the share rate. In another preferred embodiment, the simulation is performed by controlling a normal force to the first wall. The normal force may be included in the simulation condition parameter as a control normal force parameter that specifies a value or range of a normal force applied to the first wall.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書において特に言及している内容以外の技術的事項であって本発明の実施に必要な事項は、従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書によって開示されている技術内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. It should be noted that technical matters other than the contents particularly mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters for those skilled in the art based on the prior art. The present invention can be carried out based on the technical contents disclosed in the present specification and the common general technical knowledge in the field.

ここに開示される発明では、所望の用途に適した性質(例えば、摩擦係数が低いこと)を有するポリマー材料を設計するために、所定のパラメータ群を用いて粗視化された分子モデル(粗視化モデル)を使用する。このパラメータ群は、ポリマー材料に含まれるポリマー分子の屈曲性、トポロジー(ポリマー分子の長さ、分岐、接続性等)、排除体積等が適切に反映されるように選択される。このことによって、ポリマー材料に含まれるポリマー分子の「もつれ効果(entanglement effect)」の影響を考慮した粗視化モデルを得ることができる。モデル化にあたっては、前記ポリマー材料を構成するポリマー分子の化学的な詳細は、無視されるか、あるいは前記パラメータ群に含まれる一または二以上のパラメータのなかに単純化された形で反映される。これにより、ニュートン則を適用して動力学を計算し、統計力学的手法を用いてポリマー材料のマクロ特性を予測することが可能となる。例えば、粘性、粘弾性、摩擦特性(摩擦係数)、配向性、時間依存特性、静的特性、光学特性等のうち一または二以上の特性を予測し得る。   In the disclosed invention, a coarse-grained molecular model (coarse) is used to design a polymer material having properties suitable for the desired application (eg, low coefficient of friction). Visualization model). This parameter group is selected so that the flexibility, topology (polymer molecule length, branching, connectivity, etc.), excluded volume, etc. of the polymer molecules contained in the polymer material are appropriately reflected. This makes it possible to obtain a coarse-grained model that takes into account the influence of the “entanglement effect” of the polymer molecules contained in the polymer material. In modeling, the chemical details of the polymer molecules that make up the polymer material are ignored or reflected in a simplified form in one or more parameters included in the parameter group. . This makes it possible to calculate the dynamics by applying Newton's law and to predict the macro characteristics of the polymer material using statistical mechanical techniques. For example, one or more characteristics among viscosity, viscoelasticity, friction characteristics (friction coefficient), orientation, time-dependent characteristics, static characteristics, optical characteristics, and the like can be predicted.

前記粗視化モデルでは、ポリマー分子が、隣接する質点がFENEスプリングにより連結されたビーズ−スプリング鎖としてモデル化されている。各ポリマー分子は複数の質点を含み、各々の質点(mass point)は複数の化学ユニット(典型的にはモノマーユニット)を表している。現実のポリマーと粗視化されたポリマーとの間のマッピングは、該ポリマーについての公知のあるいは実験的に入手可能な基礎データに基づいた換算則を用いて実現することができる。それらの基礎データには、ポリマーの持続長(persistent length)、末端間距離(end-to-end distance)、分子量、密度等が含まれ得る。   In the coarse-grained model, polymer molecules are modeled as bead-spring chains in which adjacent mass points are connected by FENE springs. Each polymer molecule includes a plurality of mass points, and each mass point represents a plurality of chemical units (typically monomer units). The mapping between the actual polymer and the coarse-grained polymer can be achieved using a conversion rule based on known or experimentally available basic data about the polymer. Such basic data may include the polymer's persistent length, end-to-end distance, molecular weight, density, and the like.

前記粗視化モデルは、質点間のポテンシャルによって特徴づけられた多体モデルである。この多体問題を解く(すなわち、この粗視化モデルの動力学および機械的・化学的特性を計算する)ために有効な手法として、すでに開発されている分子動力学法を用いることができる。分子動力学法に基づく計算によって摩擦係数を導き出すには、以下のような統計物理学的手法を用いることができる。   The coarse-grained model is a many-body model characterized by the potential between mass points. A molecular dynamics method that has already been developed can be used as an effective method for solving this many-body problem (that is, calculating the dynamics and mechanical / chemical properties of this coarse-grained model). In order to derive the friction coefficient by calculation based on the molecular dynamics method, the following statistical physics method can be used.

すなわち、n次元にあるN個の質点(各質点は座標riおよびモーメントpiを有する。ここで、i=1, ..., Nであり、空間の次元nは2または3である。)についての多体問題、および、与えられた二体または多体の力学則F({r})=−∇rV({r})は、いくつかの制約(温度または圧力、場合によっては流れ制約)のもとでニュートンの運動方程式に従う。これらの微分方程式は、velocity Verlet法等のようなsymplectic反復スキーム(symplectic iteration scheme)を用いて適切に解くことができる(例えば、Allen, M. P., Tildesley D.J.: Computer simulation of liquids, Clarendon Press, Oxford, 1987 を参照)。該微分方程式の解から、座標riおよびモーメントpiの時間関数(ri(t),pi(t))を用いて、これらのトラジェクトリの時間平均として巨視的な量を抽出することができる。 That is, N mass points in the n dimension (each mass point has coordinates r i and moments p i , where i = 1,..., N and the space dimension n is 2 or 3. ) And the given two-body or many-body dynamical law F ({r}) = − ∇ r V ({r}) is subject to some constraints (temperature or pressure, in some cases Follow Newton's equation of motion under flow constraints. These differential equations can be properly solved using a symplectic iteration scheme such as velocity Verlet method (eg Allen, MP, Tildesley DJ: Computer simulation of liquids, Clarendon Press, Oxford, 1987). From the solution of the fine fraction equation, the time function of the coordinates r i and moments p i with (r i (t), p i (t)), to extract the macroscopic quantities as the time average of these trajectories it can.

例えば、応力テンソルσについての微視的Kirkwood式は以下のように表される。
上記式中の
は、位置r(i,α)における粒子間の相対的な距離であって、系に含まれるNc本の鎖についてα=1, ..., Ncであり、各鎖に含まれる粒子数Nbについてi=1, ..., Nbである。系内に含まれる粒子の合計数(総数)Nsは、Ns=Ncbで表される(ここでは、単純化のため、系に含まれるポリマー鎖の分子量分布が単分散であるものとする。)。ここに開示される例では、ひとつの粒子(質点)は一定数の化学単位(モノマーユニット)を表すことから、一本の鎖に含まれる粒子数Nbは該ポリマーの分子量に直接比例する。このNbの値はポリマーの化学的性質に関連し、特にポリマーの屈曲性(柔軟性)に依存する。
上記式中のv(i,α)は、鎖α中にある粒子iの固有速度を表す。上記式中の量Uは、鎖α中にあるサイトiと、鎖β中にあるサイトjとの間の相互作用ポテンシャルである。なお、定義により、(i, α)=(j, β)の項は式から排除される。ここに開示されるシミュレーションでは、同じ鎖に属するサイト間と異なる鎖に属するサイト間とでは相互作用ポテンシャルが異なる。異なる鎖間では、鎖の径方向に対称なLennard-Jones反発ポテンシャル(これにより排除体積が確保される。)を介して粒子が相互作用する。一つの鎖中で主鎖に沿って隣り合う粒子は、FENEポテンシャルに応じて、鎖の径方向に対称な引力を受ける。隣り合う粒子はまた、与えられた持続長に応じた曲げポテンシャルを受ける。
For example, the microscopic Kirkwood equation for the stress tensor σ is expressed as follows:
In the above formula
It is a relative distance between the particles in position r (i, α), = 1 for N c book chain contained in the system alpha, ..., a N c, are included in each strand particle For the number N b , i = 1,..., N b . The total number (total number) N s of particles contained in the system is represented by N s = N c N b (here, for the sake of simplicity, the molecular weight distribution of the polymer chains contained in the system is monodispersed) Shall be.) In the example disclosed herein, one particle (mass) from represent a certain number of chemical units (monomer units), the number of particles N b included in one strand is directly proportional to the molecular weight of the polymer. This value of N b is related to the chemical nature of the polymer, and in particular depends on the flexibility (flexibility) of the polymer.
In the above formula, v (i, α) represents the intrinsic velocity of the particle i in the chain α. The quantity U in the above formula is the interaction potential between the site i in the chain α and the site j in the chain β. By definition, the term (i, α) = (j, β) is excluded from the equation. In the simulation disclosed here, the interaction potential differs between sites belonging to the same chain and between sites belonging to different chains. Between different chains, the particles interact through a Lennard-Jones repulsion potential (which ensures an excluded volume) that is symmetric in the radial direction of the chain. Particles that are adjacent to each other along the main chain in one chain receive an attractive force that is symmetrical in the radial direction of the chain, depending on the FENE potential. Neighboring particles also receive a bending potential depending on the given duration.

本発明者は、運動方程式を解いて体積Vを有する周期的なシミュレーションセルに含まれる全ての粒子についての位置および速度を得、これらの全位置および速度を含む上記式から応力テンソルを抽出した。この応力テンソルは、剪断応力および法線応力(壁に垂直な応力)の寄与を含む。過渡的な摩擦係数(transient friction coefficient)は、剪断応力成分と法線応力成分の比としてトラジェクトリから抽出することができる。該過渡的摩擦係数をある時間範囲(例えば、シミュレーション時間の全体)に亘って時間平均することにより摩擦係数が得られる。この摩擦係数は、応力テンソルσにおける剪断応力と法線応力との比(または剪断力と荷重との比)として定義される。   The inventor solved the equation of motion to obtain the positions and velocities for all particles contained in the periodic simulation cell with volume V, and extracted the stress tensor from the above equation containing all these positions and velocities. This stress tensor includes the contribution of shear stress and normal stress (stress normal to the wall). The transient friction coefficient can be extracted from the trajectory as the ratio of the shear stress component and the normal stress component. The coefficient of friction is obtained by time averaging the transient coefficient of friction over a time range (eg, the entire simulation time). This coefficient of friction is defined as the ratio of shear stress to normal stress (or the ratio of shear force to load) in the stress tensor σ.

上記で応力テンソルの算出に使用したトラジェクトリr(i)およびv(i)の計算は、光学テンソル、構造因子等のような他の巨視的量の計算にも利用可能である。
例えば、光学テンソルnは次式で定義される。したがって、上記トラジェクトリから光学テンソルnを求めることができる。
The calculation of trajectories r (i) and v (i) used to calculate the stress tensor above can also be used to calculate other macroscopic quantities such as optical tensors, structure factors, etc.
For example, the optical tensor n is defined by the following equation. Therefore, the optical tensor n can be obtained from the trajectory.

また、構造因子(structure factor)S(q)は、一本あたりNbの質点を含むポリマー鎖についての波数ベクトルトランスファー(wave vector transfer、重水素化されたポリマーの中性子散乱から測定可能である。)qを用いて、以下のように定義される。したがって、上記トラジェクトリから構造因子S(q)を求めることができる。
The structure factor (structure factor) S (q) may be measured transfer wave vector of the polymer chain having a mass per one N b (wave vector transfer, neutron scattering deuterated polymer. ) Q is defined as follows. Therefore, the structure factor S (q) can be obtained from the trajectory.

これらの巨視的量(光学テンソル、構造因子等)は、ここに開示される粗視化モデルについてのシミュレーション結果から抽出することができる。したがって、該シミュレーションによって、系に含まれるポリマーの鎖長、密度、剪断速度等がこれらの巨視的量に及ぼす影響(異方性または依存性)を予測することができる。一方、光学テンソルはnは複屈折および二変色性によって実験的に測定可能であり、構造因子S(q)は散乱実験における散乱強度に比例する。したがって、シミュレーション結果から抽出された巨視的量と実験的に得られた巨視的量とを比較することにより、シミュレーションに用いた粗視化モデルの有効性を確認することができる。例えば、末端間距離Rは、構造因子Sから実験的に得ることができる。シミュレーションにおいては、末端間距離RはSから抽出することもできるが、以下の式により座標から直接得ることも可能である。
These macroscopic quantities (optical tensor, structure factor, etc.) can be extracted from the simulation results for the coarse-grained model disclosed herein. Therefore, the simulation can predict the influence (anisotropy or dependence) of the polymer chain length, density, shear rate, etc., on these macroscopic quantities. On the other hand, the optical tensor n can be experimentally measured by birefringence and dichromatism, and the structure factor S (q) is proportional to the scattering intensity in the scattering experiment. Therefore, the effectiveness of the coarse-grained model used in the simulation can be confirmed by comparing the macroscopic amount extracted from the simulation result with the macroscopic amount obtained experimentally. For example, the end-to-end distance R can be obtained experimentally from the structure factor S. In the simulation, the end-to-end distance R can be extracted from S, but can also be obtained directly from the coordinates by the following equation.

また、上記トラジェクトリからポリマー鎖の回転半径を求めることができる。該回転半径(Radius of gyration)よりも小さくなるようにシミュレーションセル(シミュレーションボックス)のサイズを定めることが好ましい。シミュレーションボックスのx方向のサイズLx、y方向のサイズLy、およびz方向のサイズLzは、系に含まれる粒子(物理的モノマー)の数Ns,ポリマー材料のバルク密度(数密度)n=Nb/V(ここで、Nbは一本のポリマー鎖に含まれる粒子の数であり、V=LxLyLzである。)、ポリマー材料の表面密度σ=Nc/Lx/Ly(Ncは、系に含まれるポリマー鎖の本数である。)、およびLzによって定義することができる。例えばNbの値を大きくすることにより、回転半径よりも常に大きくなるようにボックスサイズを選択することができる。 Further, the rotation radius of the polymer chain can be obtained from the trajectory. The size of the simulation cell (simulation box) is preferably determined so as to be smaller than the radius of gyration. The size Lx in the x direction, the size Ly in the y direction, and the size Lz in the z direction of the simulation box are the number N s of particles (physical monomers) included in the system, the bulk density (number density) of the polymer material, n = N b / V (where N b is the number of particles contained in one polymer chain, V = LxLyLz), the surface density of the polymer material σ = N c / Lx / Ly (N c is The number of polymer chains included in the system), and Lz. For example, by increasing the value of N b , the box size can be selected so as to be always larger than the turning radius.

ここに開示される発明の一つの好ましい態様では、所定のパラメータ群を用いて得られたポリマー材料の粗視化モデルについて、該ポリマー材料に含まれるポリマーの鎖長を表す鎖長パラメータ、該ポリマーの屈曲性を表す屈曲性パラメータ、および、前記ポリマー材料の密度を表す密度パラメータを用いた分子動力学的シミュレーションによって該ポリマー材料の特性を予測する。これらのパラメータ群を構成するパラメータがいずれも無次元量となるように該パラメータを定めることが好ましい。例えば、前記鎖長パラメータとしては、一本のポリマー鎖に含まれる質点の数Nb(無次元量)を採用することができる。また、前記屈曲性パラメータとしては、ポリマーの持続長lpを該ポリマーの質点間の結合長bで割って得られた無次元量を採用することができる。前記密度パラメータとしては、単位体積(例えば、シミュレーションセルの体積V)に含まれるポリマー鎖の本数および/または該体積に含まれる質点の数を用いて表された無次元量(無次元のバルク密度)を用いることができる。また、所定の面積に含まれるポリマー鎖の本数を用いて表された無次元量(無次元の表面密度)を使用してもよい。 In one preferred embodiment of the invention disclosed herein, for a coarse-grained model of a polymer material obtained using a predetermined parameter group, a chain length parameter representing a chain length of a polymer included in the polymer material, the polymer The properties of the polymer material are predicted by molecular dynamics simulation using the bendability parameter representing the bendability and the density parameter representing the density of the polymer material. It is preferable to determine the parameters so that all the parameters constituting these parameter groups are dimensionless. For example, as the chain length parameter, the number N b (dimensionless amount) of mass points contained in one polymer chain can be adopted. Further, as the flexibility parameter, a dimensionless quantity obtained by dividing the continuous length l p of the polymer by the bond length b between the mass points of the polymer can be adopted. As the density parameter, a dimensionless quantity (a dimensionless bulk density) expressed by using the number of polymer chains included in a unit volume (for example, the volume V of the simulation cell) and / or the number of mass points included in the volume. ) Can be used. In addition, a dimensionless quantity (dimensionless surface density) expressed using the number of polymer chains included in a predetermined area may be used.

このように無次元のパラメータからなるパラメータ群を用いたシミュレーションでは、該シミュレーションの結果も無次元量として得られる。かかる無次元量は、適切な基準量(reference quantity)と掛け合わせることによって次元量に換算することができる。この基準量は、質量(m),エネルギー(ε)および長さ(σ)の単位で表される。これら三つの量(次元換算因子)はポリマー毎に異なり、例えば表1に記載のパラメータを有するFENEモデルポリマーから以下のようにして求めることができる。
また、材料の融点Tに基づき、ε=Tkb(kb:ボルツマン定数)の関係を利用してエネルギーεを推定することができる。表1にリストアップされた比
は、該融点Tにおいて測定されたものである。通常、これらの温度(材料の融点)は400〜500Kの範囲にある。ポリテトラフルオロエチレンについては、表1にリストアップされた量の測定温度は460Kである。
Thus, in the simulation using the parameter group consisting of dimensionless parameters, the result of the simulation is also obtained as a dimensionless quantity. Such a dimensionless quantity can be converted into a dimension quantity by multiplying it with an appropriate reference quantity. This reference amount is expressed in units of mass (m), energy (ε), and length (σ). These three amounts (dimension conversion factors) are different for each polymer, and can be determined, for example, from the FENE model polymer having the parameters shown in Table 1 as follows.
Further, based on the melting point T of the material, the energy ε can be estimated using the relationship of ε = Tk b (k b : Boltzmann constant). Ratios listed in Table 1
Is measured at the melting point T. Usually, these temperatures (material melting points) are in the range of 400-500K. For polytetrafluoroethylene, the measured temperature in the amount listed in Table 1 is 460K.

次元換算因子はSI物理量に依存している。例えば、粘度に対する無次元量η*[SI単位:kg1-1s-1]は、次式
によって、次元のある粘度ηに換算することができる。
また、時間に関する無次元量t*[SI単位:s、すなわちkg001]は、次式
によって、次元のある時間tに換算することができる。
より一般的には、SI単位が
である無次元量Q*は、以下の式により次元量に換算することができる。
なお、1K=1.38066×10-23J=8.61735×10-5eVである。
The dimension conversion factor depends on the SI physical quantity. For example, the dimensionless quantity η * [SI unit: kg 1 m −1 s −1 ] with respect to the viscosity is
Can be converted into a dimensional viscosity η.
Further, the dimensionless quantity t * [SI unit: s, that is, kg 0 m 0 s 1 ] relating to time is given by
Can be converted into a time t having a dimension.
More generally, the SI unit is
The dimensionless quantity Q * can be converted into a dimensional quantity by the following equation.
Note that 1K = 1.38066 × 10 −23 J = 8.61735 × 10 −5 eV.

表1には、種々のポリマーについての持続長、特性分子量、形状およびサイズに関するデータが集められている。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の次元換算因子は、表1のデータを用いて、以下のようにして求められる。ここで、Nc FENEは表1に示されたFENEモデルポリマーのNc値を示し、lp FENEは表1に示されたFENEモデルポリマーのlp値を示している。
その結果、無次元の剪断応力τ*=1(SI単位:kg1-1s-2、したがって上記換算式においてα=1,β=−1,γ=−2)は、現実の剪断応力τ=τ*×m1+(-2/2)×σ-1+(-2)×ε-(-2)/2=τ*×σ-3ε1=0.8[MPa]に相当することが算出される。また、無次元の温度(シミュレーションのパラメータ)としてのT*=1は、現実の温度T=εT*=460[K]に相当することが算出される。なお、1MPaの法線応力(垂直応力)は1N/mm2に等しい。
Table 1 gathers data on persistence length, characteristic molecular weight, shape and size for various polymers. For example, the dimension conversion factor of polytetrafluoroethylene (PTFE) is obtained as follows using the data in Table 1. Here, N c FENE represents the Nc values of FENE model polymers shown in Table 1, l p FENE shows a l p value of FENE model polymers shown in Table 1.
As a result, the dimensionless shear stress τ * = 1 (SI unit: kg 1 m −1 s −2 , and thus α = 1, β = −1, γ = −2 in the above conversion formula) is the actual shear stress. τ = τ * × m 1 + (-2/2) × σ -1 + ( -2 ) × ε -(-2) / 2 = τ * × σ -3 ε 1 = 0.8 [MPa] To be calculated. Further, it is calculated that T * = 1 as a dimensionless temperature (simulation parameter) corresponds to an actual temperature T = εT * = 460 [K]. The normal stress (normal stress) of 1 MPa is equal to 1 N / mm 2 .

また、シミュレーションコード中の表面密度(単位面積あたりの質点の数)は、例えばσ* surf(無次元量)=0.5に設定し得る。ここで、表面密度の物理的単位はm-2(kg0-2s0と等しい。すなわち、上記換算式においてα=0,β=−2,γ=0)であることから、現実の表面密度σsurf=σ* surf×m0+0/2×σ-2+0×ε-0/2=0.5×σ-2が得られる。上記で計算したように、PTFEについてはσ=20Åであるので、この無次元の表面密度に対応するPTFEの実際の(次元量で表された)表面密度は、σsurf=0.5×20-2[Å-2]=0.00125[Å-2]と算出される。 Further, the surface density (number of mass points per unit area) in the simulation code can be set to, for example, σ * surf (dimensionless quantity) = 0.5. Here, the physical unit of the surface density is m −2 (kg 0 m −2 s 0. That is, in the above conversion formula, α = 0, β = −2, γ = 0). The surface density σ surf = σ * surf × m 0 + 0/2 × σ −2 + 0 × ε −0/2 = 0.5 × σ −2 is obtained. As calculated above, for PTFE σ = 20F, the actual surface density (expressed in dimensional quantities) of PTFE corresponding to this dimensionless surface density is σ surf = 0.5 × 20. -2 [Å- 2 ] = 0.00125 [Å- 2 ].

設計により見出された好適なパラメータ値の組み合わせに対応する現実のポリマーを得る方法としては、既存のポリマー材料(市販品等)から該パラメータ値の組み合わせによく適合するものを選択する方法を採用し得る。また、かかる好適なパラメータ値の組み合わせによく適合するポリマー材料を新たに製造してもよい。あるいは、既存のポリマー材料の組成、製造条件等を好適化することによって、上記好適なパラメータ値の組み合わせによりよく適合するポリマー材料を得ることも可能である。このようなパラメータ値の適合は、例えば、ポリマー材料に含まれるポリマーの分子量、トポロジー、屈曲性、ポリマー材料の表面密度、バルク密度等のうち一または二以上を調節することによって実現し得る。   As a method of obtaining an actual polymer corresponding to a suitable combination of parameter values found by design, a method of selecting an existing polymer material (commercially available product, etc.) that fits well with the combination of parameter values is adopted. Can do. In addition, a polymer material that is well suited to such a suitable combination of parameter values may be newly produced. Alternatively, it is also possible to obtain a polymer material that is more suitable for a combination of the above-mentioned preferable parameter values by optimizing the composition, production conditions, etc. of the existing polymer material. Such adaptation of the parameter values can be achieved by adjusting one or more of the molecular weight, topology, flexibility, surface density of the polymer material, bulk density, etc. included in the polymer material, for example.

ポリマーの分子量は、重合温度、重合触媒の種類および使用量、モノマー濃度、連鎖移動剤の使用の有無およびその種類、溶媒の使用の有無およびその種類、重合雰囲気、重合圧力等の重合条件によって調節する(目標とするパラメータ値の組み合わせによりよく適合させる)ことができる。ポリマーのトポロジー(分岐の有無および程度等)は、モノマーの種類、二種以上のモノマーを使用する場合にはそれらの共重合割合、重合温度、重合触媒の種類および使用量、モノマー濃度、連鎖移動剤の使用の有無およびその種類等によって調節することができる。ポリマーの屈曲性は、モノマーの種類、二種以上のモノマーを使用する場合にはそれらの共重合割合、重合様式(例えば、ポリブタジエンにおけるシス/トランス/ビニル結合の比率)、ポリマーの立体規則性(tacticity)等によって調節し得る。重合様式および立体規則性は、重合触媒の種類、溶媒の種類等の重合条件によって調節することができる。   The molecular weight of the polymer is adjusted by the polymerization conditions such as polymerization temperature, type and amount of polymerization catalyst, monomer concentration, presence / absence and use of chain transfer agent, presence / absence and type of solvent, polymerization atmosphere, polymerization pressure, etc. (To better match the target parameter value combination). The polymer topology (existence and degree of branching, etc.) is the type of monomer, the copolymerization ratio when two or more monomers are used, polymerization temperature, type and amount of polymerization catalyst, monomer concentration, chain transfer It can be adjusted according to the presence or absence and the type of agent used. The flexibility of the polymer depends on the type of monomer, the copolymerization ratio when two or more monomers are used, the polymerization mode (for example, the ratio of cis / trans / vinyl bond in polybutadiene), the stereoregularity of the polymer ( tacticity) and the like. The polymerization mode and stereoregularity can be adjusted by polymerization conditions such as the type of polymerization catalyst and the type of solvent.

ポリマー材料の密度は、該ポリマー材料に所定の条件(温度と時間の組み合わせ)で熱処理を加えることによって調節することができる。通常は、該ポリマー材料に含まれるポリマーのガラス転移温度と融点との間の温度域で熱処理を行うことが好ましい。また、該ポリマー材料を溶融状態から冷却するときの温度プロファイルによってポリマー材料の密度を調節することも可能である。ポリマー材料の密度を調節する他の方法として、該ポリマー材料に外力を加える処理を施す方法を例示することができる。例えば、該ポリマー材料を等方加圧する処理、該ポリマー材料に異方性の(例えば一軸方向または二軸方向への)引張応力、圧縮応力または剪断応力を加える処理等を、単独で、あるいは適宜組み合わせて採用することができる。これらの処理を施す条件を適切に選択することにより、ポリマー材料のバルク密度または表面密度、あるいはこれらの両方を調節することができる。   The density of the polymer material can be adjusted by subjecting the polymer material to a heat treatment under predetermined conditions (combination of temperature and time). Usually, it is preferable to perform the heat treatment in a temperature range between the glass transition temperature and the melting point of the polymer contained in the polymer material. It is also possible to adjust the density of the polymer material according to the temperature profile when the polymer material is cooled from the molten state. As another method for adjusting the density of the polymer material, there can be exemplified a method in which an external force is applied to the polymer material. For example, a process of isotropically pressing the polymer material, a process of applying anisotropic (for example, uniaxial or biaxial) tensile stress, compressive stress, or shear stress to the polymer material alone or as appropriate Can be used in combination. By appropriately selecting the conditions for performing these treatments, the bulk density or surface density of the polymer material, or both, can be adjusted.

ここに開示される方法は、例えば、以下に例示するポリマーの一種または二種以上を含むポリマー材料(典型的には、これらのポリマーの一種または二種以上から実質的に構成されるポリマー材料)の設計に適用され得る。好ましくは、これらのポリマーのいずれか一種を含むポリマー材料(より好ましくは、該ポリマーから実質的に構成されるポリマー材料)の設計に適用される。   The method disclosed herein is, for example, a polymer material containing one or more of the polymers exemplified below (typically a polymer material substantially composed of one or more of these polymers). Can be applied to any design. Preferably, it is applied to the design of a polymer material containing one of these polymers (more preferably a polymer material substantially composed of the polymer).

[炭素−炭素結合からなる主鎖を有するポリマー]
ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ1−ブテン、ポリイソブチレン等のポリオレフィン類。
共役ジエンの重合により得られるポリマー、例えばポリイソプレン、ポリブタジエン等のポリ共役ジエン類。主鎖の結合様式はシス、トランスおよびビニルのいずれでもよく、これらの結合様式が任意の割合で混在していてもよい。
ポリスチレン、ポリα−メチルスチレン、ポリm−メチルスチレン等のポリ芳香族ビニル類。
ポリテトラフルオロエチレンのようなハロゲン化炭化水素類。
ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリヘキシルメタクリレート、ポリ2−エチルブチルメタクリレート、ポリオクチルメタクリレートポリドデシルメタクリレート等のポリ(メタ)アクリル酸エステル類。
その他のビニル重合体、例えばポリアクリル酸、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリビニルクロライド等。
[Polymer having a main chain composed of carbon-carbon bonds]
Polyolefins such as polyethylene, polypropylene, poly 1-butene and polyisobutylene.
Polymers obtained by polymerization of conjugated dienes, for example, polyconjugated dienes such as polyisoprene and polybutadiene. The bonding mode of the main chain may be any of cis, trans and vinyl, and these bonding modes may be mixed at an arbitrary ratio.
Polyaromatic vinyls such as polystyrene, poly α-methylstyrene, and poly m-methylstyrene.
Halogenated hydrocarbons such as polytetrafluoroethylene.
Poly (meth) acrylic acid esters such as polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polyhexyl methacrylate, poly 2-ethylbutyl methacrylate, polyoctyl methacrylate and polydodecyl methacrylate.
Other vinyl polymers such as polyacrylic acid, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, polyvinyl chloride and the like.

[エステル結合を含む主鎖を有するポリマー]
ポリデカメチレンアジピン酸、ポリデカメチレンコハク酸、ポリデカメチレンセバシン酸、ポリビスフェノールAカーボネート、ポリエチレンテレフタレート等。
[エーテル結合を含む主鎖を有するポリマー]
ポリオキシエチレン、ポリオキシプロピレン、ポリオキシテトラメチレン、ポリオキシ−2,6−ジメチル−1,4−フェニレン等。
[アミド結合を含む主鎖を有するポリマー]
ポリε−カプロラクタム、ポリヘキサメチレンアジパミド(すなわち、6,6−ナイロン)等。
[シロキサン結合を含む主鎖を有するポリマー]
ポリジメチルシロキサン等。
[Polymer having main chain containing ester bond]
Polydecamethylene adipic acid, polydecamethylene succinic acid, polydecamethylene sebacic acid, polybisphenol A carbonate, polyethylene terephthalate and the like.
[Polymer having a main chain containing an ether bond]
Polyoxyethylene, polyoxypropylene, polyoxytetramethylene, polyoxy-2,6-dimethyl-1,4-phenylene and the like.
[Polymer having main chain containing amide bond]
Polyε-caprolactam, polyhexamethylene adipamide (ie, 6,6-nylon) and the like.
[Polymer having main chain containing siloxane bond]
Polydimethylsiloxane and the like.

ここに開示される方法は、所望の用途に応じた好ましい摩擦特性(摩擦係数、スティックスリップ現象を生じる条件等)を示すポリマー材料の構成成分として適したポリマー材料の設計に好ましく適用することができる。例えば、他の材料(金属材料、セラミック材料、樹脂材料等)からなる部材の表面に配置されてその摩擦挙動を調整するポリマーコーティング用のポリマー材料を設計する方法として好適である。好ましい適用対象の一例として、内燃機関のピストンおよび/またはバルブの表面を低摩擦化するためのポリマーコーティング(低摩擦コーティング)用のポリマー材料が挙げられる。他の一例として、ブレーキディスクおよび/またはブレーキパッドの表面に施されるポリマーコーティングが挙げられる。   The method disclosed herein can be preferably applied to the design of a polymer material suitable as a component of a polymer material that exhibits favorable friction characteristics (friction coefficient, conditions causing stick-slip phenomenon, etc.) according to a desired application. . For example, it is suitable as a method for designing a polymer material for polymer coating that is arranged on the surface of a member made of another material (metal material, ceramic material, resin material, etc.) and adjusts its friction behavior. An example of a preferable application object is a polymer material for a polymer coating (low friction coating) for reducing the friction of the surface of a piston and / or valve of an internal combustion engine. Another example is a polymer coating applied to the surface of the brake disc and / or brake pad.

本発明は、例えば以下のように構成されたシステムを用いて実施することができる。
<実施例1>
以下、低摩擦コーティングの構成成分として適したポリマー材料を設計するためのシステムの例について説明する。このシステムは、後述する所定のパラメータ群を用いて得られたポリマー材料の粗視化モデルを用いて、該ポリマー材料についてのシミュレーションを行う。該粗視化モデルでは、ポリマー材料に含まれるポリマーを、各々二以上のモノマーユニットを表す隣接する質点が有限伸び非線形弾性(FENE)スプリングにより連結されたビーズ−スプリング鎖として記述される。
The present invention can be implemented, for example, using a system configured as follows.
<Example 1>
In the following, an example of a system for designing a polymer material suitable as a component of a low friction coating will be described. This system performs a simulation on the polymer material using a coarse-grained model of the polymer material obtained using a predetermined parameter group described later. In the coarse-grained model, the polymer contained in the polymer material is described as a bead-spring chain in which adjacent mass points, each representing two or more monomer units, are connected by a finite stretch nonlinear elasticity (FENE) spring.

この設計システムでは、ポリマー材料に含まれるポリマー鎖の一端が壁(例えば金属製の壁)の表面に繋ぎとめられたポリマーコーティングを取り扱う。そのため、該ポリマーコーティングを有する表面を備える第一の壁と、該コーティング面に対面する表面であって前記ポリマーコーティングを有するまたは有しない表面を備える第二の壁とが存在する条件でシミュレーションを行う。第一の壁と第二の壁とは相対移動させることができる。本設計システムは、(1).第一の壁および第二の壁の双方がポリマーコーティングを有する系、すなわち対称ポリマーコーティング(ブラシ−ブラシ滑り)、および、(2).第一の壁のみがポリマーコーティングを有し第二の壁はポリマーコーティングを有しない系、すなわち非対称ポリマーコーティング(ブラシ−マイカ滑り)についてシミュレーションを行うことができる。本設計システムは、また、(3).対称ポリマーコーティングであってさらに溶媒が存在する系、および、(4).非対称ポリマーコーティングであってさらに溶媒が存在する系についてもシミュレーションを行う機能を備える。前記粗視化モデルでは、溶媒に含まれる個々の分子は質点として表される。それらの溶媒粒子が力学則にしたがって(本実施例ではLennard-Jonesポテンシャルを導入している。)ポリマーのビーズと相互作用する。   This design system handles a polymer coating in which one end of a polymer chain contained in the polymer material is anchored to the surface of a wall (eg, a metal wall). Therefore, the simulation is performed under the condition that a first wall having a surface having the polymer coating and a second wall having a surface facing the coating surface and having or without the polymer coating exist. . The first wall and the second wall can be moved relative to each other. The design system consists of (1) a system in which both the first and second walls have a polymer coating, ie a symmetrical polymer coating (brush-brush sliding), and (2). Simulations can be performed for a system with a polymer coating and a second wall without a polymer coating, ie an asymmetric polymer coating (brush-mica slip). The design system also has the capability to simulate (3) a system with a symmetric polymer coating and further solvent, and (4) a system with an asymmetric polymer coating and further solvent. . In the coarse-grained model, individual molecules contained in the solvent are represented as mass points. These solvent particles interact with polymer beads according to the laws of mechanics (in this example introducing the Lennard-Jones potential).

かかるシミュレーションによって、摩擦係数、力場の二乗(squared force fields)、結合長の分散、剪断応力、法線応力、スナップショット等の量をモニターすることができる。この設計システムは、さらに、得られたシミュレーション結果に基づいて動画を作成する機能を備えている。   Such simulations can monitor the amount of friction coefficient, squared force fields, bond length dispersion, shear stress, normal stress, snapshots, and the like. This design system further has a function of creating a moving image based on the obtained simulation result.

この設計システムは、図1に示すように、ディスプレイおよびキーボードを備えた入力装置10と、入力装置10に接続され演算装置22および記憶装置24を備えたコンピュータ20と、コンピュータ20に接続されディスプレイおよびキーボードを備えた出力装置30とを含んで構成されている。入力装置10または出力装置30としては、例えば、一般的なコンピュータのユーザ端末を使用することができる。好ましい一つの態様では、入力装置10を出力装置30としても使用する。記憶装置24には、演算装置22を介して上述した各機能を実施するプログラムのソースコードが保存されている。また、記憶装置24には、過去に実施したシミュレーション結果、過去に入力されたパラメータ群、ユーザが編集したソースコード等を保存することができる。   As shown in FIG. 1, the design system includes an input device 10 having a display and a keyboard, a computer 20 connected to the input device 10 and having an arithmetic device 22 and a storage device 24, and a display and a computer connected to the computer 20. And an output device 30 having a keyboard. As the input device 10 or the output device 30, for example, a general computer user terminal can be used. In a preferred embodiment, the input device 10 is also used as the output device 30. The storage device 24 stores source code of a program that implements each function described above via the arithmetic device 22. In addition, the storage device 24 can store simulation results performed in the past, parameter groups input in the past, source code edited by the user, and the like.

この設計システムでは、以下のパラメータによりシミュレーション条件を設定することができる。
[シミュレーション時間]
真のシミュレーション時間(true simulation time)を秒単位で設定する。また、真のシミュレーション時間に代えて物理的なシミュレーション時間(現実に計算を行う時間)を入力する構成としてもよい。ただし、計算に要する物理的な時間は使用するコンピュータの基本設計(architecture)に依存するため、通常は物理的な時間よりも真の時間を指定するほうが便利である。
In this design system, simulation conditions can be set by the following parameters.
[Simulation time]
Set the true simulation time in seconds. Moreover, it is good also as a structure which replaces with true simulation time and inputs physical simulation time (time which actually calculates). However, since the physical time required for the calculation depends on the basic design (architecture) of the computer used, it is usually more convenient to specify the true time than the physical time.

[系の温度(無次元量)]
シミュレートしようとする系の温度をT=1に設定する(実際の系の温度は約400Kに相当する。)。有用な結果を得るためには、現実のポリマー材料をその温度においた場合に該ポリマー材料に含まれるポリマーが過剰な変質(熱分解、架橋反応等)を起こさない程度の温度に設定することが好ましい。通常は、設計しようとするポリマー材料の用途に応じて、該ポリマー材料が実際に使用されるときの温度またはこれに近い温度に設定することが適当である。
[System temperature (dimensionless quantity)]
The temperature of the system to be simulated is set to T = 1 (the actual system temperature corresponds to about 400K). In order to obtain useful results, it is necessary to set the temperature so that the polymer contained in the polymer material does not undergo excessive alteration (thermal decomposition, crosslinking reaction, etc.) when the actual polymer material is placed at that temperature. preferable. Usually, depending on the intended use of the polymer material to be designed, it is appropriate to set the temperature at or near the temperature at which the polymer material is actually used.

[シミュレーションボックスのサイズ(無次元量)]
本設計システムでは、流れ方向(x方向)に対して周期的な境界条件を有する三次元系を扱う。ここで使用するプログラムのソースコードでは、流れ方向(x方向)が画面の左から右に向かう方向となるように設定が固定されている。画面の上下方向が流れの傾き方向(flow gradient direction、y方向)となる。シミュレーションボックスのサイズは、上記周期境界条件における基本セルのサイズに相当する。ここでは、x方向、y方向およびz方向のそれぞれについてシミュレーションボックスのサイズ(それぞれ、X,YおよびZボックスサイズという。)を設定する。ここに開示される例では、基本セルの長さを用いて、各ボックスサイズを無次元量としてパラメータ化している。
Xボックスサイズ:流れ方向(x方向)に対するシミュレーションボックスのサイズを基本セル長さで割った数字として定義される。
Yボックスサイズ:流れの傾き方向(y方向)に対するシミュレーションボックスのサイズを基本セル長さで割った数字として定義される。
Zボックスサイズ:流れの渦方向(flow vorticity direction ;z方向)に対するシミュレーションボックスのサイズを基本セル長さで割った数字として定義される。通常のスナップショットはz方向から見た状態を示している。
[Simulation box size (Dimensionless amount)]
In this design system, a three-dimensional system having a periodic boundary condition with respect to the flow direction (x direction) is handled. In the source code of the program used here, the setting is fixed so that the flow direction (x direction) is the direction from the left to the right of the screen. The vertical direction of the screen is the flow gradient direction (flow gradient direction, y direction). The size of the simulation box corresponds to the size of the basic cell in the periodic boundary condition. Here, the size of the simulation box (referred to as X, Y, and Z box sizes, respectively) is set for each of the x direction, the y direction, and the z direction. In the example disclosed here, each box size is parameterized as a dimensionless quantity using the length of the basic cell.
X box size: defined as a number obtained by dividing the size of the simulation box with respect to the flow direction (x direction) by the basic cell length.
Y box size: defined as a number obtained by dividing the size of the simulation box with respect to the direction of flow inclination (y direction) by the basic cell length.
Z box size: Defined as the number of simulation boxes divided by the basic cell length for the flow vorticity direction (z direction). A normal snapshot shows a state viewed from the z direction.

[シェアレート]
シェアレート(ずり速度)は速度勾配(velocity gradient)を表す。ここでは、シミュレーションセルの上端における速度のx成分を垂直方向(y方向)のセルサイズ(次元量)で割って得られた値としてシェアレートを設定する。シェアレート=0は、系が休止状態にあることを意味する。また、シェアレート=1は、ポリマーの付着している表面(壁の表面)が、1単位時間当たり、ひとつのポリマー鎖の直径に相当する分だけ動いていることを意味する。換言すれば、1単位時間の長さはポリマーの化学的性質(chemistry)によって定まる。
[Share rate]
The share rate (shear rate) represents a velocity gradient. Here, the share rate is set as a value obtained by dividing the x component of the velocity at the upper end of the simulation cell by the cell size (dimension amount) in the vertical direction (y direction). Share rate = 0 means that the system is in a dormant state. Further, the shear rate = 1 means that the surface to which the polymer adheres (the surface of the wall) moves by an amount corresponding to the diameter of one polymer chain per unit time. In other words, the length of one unit time is determined by the chemistry of the polymer.

[制御法線力(無次元量)]
シミュレーションされた系は応力テンソルによって特徴づけられる。この応力テンソルは、任意の時間段階におけるポリマーおよび溶媒粒子のコンフィギュレーションからテンソル的ビリアル式(tensorial virial formula)を通して求められる。本システムのプログラムコードは、この応力テンソルから流れの傾き方向(垂直方向またはy方向)内における法線圧力(normal pressure)を評価する機能を備える。より詳しくは、法線力は応力テンソルのyy成分として定義される。本システムでは、ポリマー材料の用途(アプリケーションのタイプ)に応じて、法線圧力(または荷重)の大きさを適切に制御した条件でシミュレーションを行うことができる。例えば、シミュレーション中における法線力の値を一定に保つ(これは、実験的に摩擦力を測定する際の典型的な状況である。)ことができる。この制御法線力(control normal force)は、ポリマー材料の摩擦係数を実験的に測定する際に測定条件として好ましく選択される荷重(負荷、load)に相当する値となるように設定することができる。制御法線力の値は、最初のコンフィギュレーションからスタートして、シミュレーション実行中に動的に調整される。すなわち、制御法線力の入力値がゼロではない場合には、シミュレーション実行中、所望の制御法線力に到達するまでYボックスサイズを変化させることによって制御法線力の値が調整される。なお、制御法線力の入力値がゼロである場合には制御法線力を考慮せずにシミュレーションを行う。すなわち、このパラメータはオプションである。
[Control normal force (dimensionless quantity)]
The simulated system is characterized by a stress tensor. This stress tensor is determined through a tensorial virial formula from the polymer and solvent particle configuration at any time step. The program code of the present system has a function of evaluating a normal pressure (normal pressure) in the flow tilt direction (vertical direction or y direction) from the stress tensor. More specifically, normal force is defined as the yy component of the stress tensor. In this system, the simulation can be performed under conditions in which the magnitude of the normal pressure (or load) is appropriately controlled according to the use (type of application) of the polymer material. For example, the value of the normal force during simulation can be kept constant (this is a typical situation when experimentally measuring the frictional force). The control normal force may be set to a value corresponding to a load that is preferably selected as a measurement condition when experimentally measuring the coefficient of friction of the polymer material. it can. The value of the control normal force is adjusted dynamically during the simulation run starting from the initial configuration. That is, when the input value of the control normal force is not zero, the value of the control normal force is adjusted by changing the Y box size until the desired control normal force is reached during the simulation. When the input value of the control normal force is zero, the simulation is performed without considering the control normal force. That is, this parameter is optional.

また、この設計システムでは、以下のパラメータ群を用いてポリマー材料の粗視化モデルを得ることができる。
[ポリマーの鎖長(無次元量)]
本設計システムでは、ポリマー材料に含まれるポリマー(ここでは直鎖状ポリマーを例として説明する。)の鎖長を、一分子のポリマー当たりに含まれる質点(ビーズ)の数としてパラメータ化する。この質点の数は、前述のように、ポリマーの重合度(ホモポリマーでは、ポリマーの分子量/モノマーの分子量により求められる。)を特性比Cで割ることによって定められる。系に含まれるポリマーの分子量が単分散(monodisperse)である場合には、ポリマー鎖当たりの質点の数(すなわち、本設計システムで使用する鎖長パラメータ)は正の整数となる。多分散(polydisperse)のポリマーを含む系では、各ポリマー鎖に含まれる質点数の平均値を使用すればよい。
In this design system, a coarse-grained model of the polymer material can be obtained using the following parameter group.
[Polymer chain length (dimensionless amount)]
In this design system, the chain length of a polymer contained in the polymer material (here, a linear polymer is described as an example) is parameterized as the number of mass points (beads) contained per molecule of polymer. As described above, the number of mass points is determined by dividing the degree of polymerization of the polymer (in the case of a homopolymer, the molecular weight of the polymer / the molecular weight of the monomer) by the characteristic ratio C∞ . When the molecular weight of the polymer contained in the system is monodisperse, the number of mass points per polymer chain (ie, the chain length parameter used in the design system) is a positive integer. In a system including a polydisperse polymer, an average value of the number of mass points included in each polymer chain may be used.

[密度(無次元量)]
本設計システムでは、基本セル内に含まれるポリマー(上記鎖長を有する。)の分子数によってポリマー材料の密度(数密度)をパラメータ化する。ポリマー材料の表面密度は、シミュレーションボックスのx方向およびz方向により規定される平面(xy平面)の面積当たりに含まれるポリマー鎖の本数(表面積当たりのポリマー数)として表される。また、ポリマー材料のバルク密度は、シミュレーションボックス内に含まれる質点の数(質点の数密度)として表される。
[Density (Dimensionless amount)]
In this design system, the density (number density) of the polymer material is parameterized by the number of molecules of the polymer (having the above chain length) contained in the basic cell. The surface density of the polymer material is expressed as the number of polymer chains (number of polymers per surface area) included per area of a plane (xy plane) defined by the x direction and z direction of the simulation box. The bulk density of the polymer material is expressed as the number of mass points included in the simulation box (number density of mass points).

[ポリマーの屈曲性(無次元量)]
本設計システムでは、ポリマー材料に含まれるポリマーの屈曲性(柔軟性)を、該ポリマーの持続長lpを該ポリマーの質点間の結合長bで割った値としてパラメータ化する。完全にフレキシブルなポリマーでは、lpがゼロに近づく(<tp,tP+S>=0のとき理論上の完全なフレキシブル)。ポリマーの剛直性が増すと屈曲性パラメータの値は大きくなる。
[Polymer flexibility (dimensionless amount)]
In this design system, the flexibility (flexibility) of the polymer contained in the polymer material is parameterized as a value obtained by dividing the sustained length l p of the polymer by the bond length b between the mass points of the polymer. For perfectly flexible polymers, l p approaches zero (theoretical perfect flexibility when <t p , t P + S > = 0). As the polymer stiffness increases, the value of the flexibility parameter increases.

[パッキングフラクション(無次元量)]
パッキングフラクションは、系内に存在する質点の総数(ポリマー鎖の質点および溶媒粒子の質点の合計数)に対して溶媒粒子の質点が占める割合を表すパラメータであって、0〜1の間の値をとり得る。系内に存在する質点の総数は、先に選択した密度パラメータ(ポリマー鎖の数)および鎖長パラメータに依存する。このパラメータは、溶媒粒子を含む系についてシミュレーションを行う場合に有効になる。すなわち、このパラメータはオプションであって、溶媒粒子を含まない系ではパッキングフラクション=0である。一方、パッキングフラクション=1は、系内にポリマー鎖が存在しない(溶媒のみの系である)ことを意味する。
[Packing fraction (dimensionless amount)]
The packing fraction is a parameter representing the ratio of the mass of the solvent particles to the total number of mass points existing in the system (total number of mass points of the polymer chain and solvent particles), and is a value between 0 and 1. Can take. The total number of mass points present in the system depends on the previously selected density parameter (number of polymer chains) and chain length parameters. This parameter is effective when a simulation is performed on a system including solvent particles. That is, this parameter is optional and the packing fraction = 0 in a system that does not include solvent particles. On the other hand, packing fraction = 1 means that there is no polymer chain in the system (a system with only a solvent).

以下、本設計システムを用いてポリマー材料(特に、低摩擦コーティングに適したポリマー材料)の特性を予測する手順につき、図1および図2を参照しつつ説明する。
まず、(1). 対称ポリマーコーティング、(2). 非対称ポリマーコーティング、(3). 対称ポリマーコーティング+溶媒、(4). 非対称ポリマーコーティング+溶媒、の四つのシミュレーションモードからいずれかを選択する(ステップ102)。この選択は、例えば、入力装置10のディスプレイに表示された対話式ウィンドウにおいて、上記(1).〜(4).に対応する数字1〜4をキーボードから入力して行うことができる。ここでは、シミュレーションモードとして対称ポリマーコーティングを選択した場合を中心に説明する。
Hereinafter, a procedure for predicting the characteristics of a polymer material (particularly, a polymer material suitable for low friction coating) using the present design system will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
First, select one of four simulation modes: (1). Symmetric polymer coating, (2). Asymmetric polymer coating, (3). Symmetric polymer coating + solvent, (4). Asymmetric polymer coating + solvent ( Step 102). This selection can be performed by, for example, inputting numbers 1 to 4 corresponding to the above (1) to (4) from a keyboard in an interactive window displayed on the display of the input device 10. Here, the case where a symmetric polymer coating is selected as the simulation mode will be mainly described.

次いで、材料パラメータの入力(ステップ104)およびシミュレーション条件パラメータの入力(ステップ106)を行う。ステップ104とステップ106とは並行して行ってもよく、順番に行ってもよい。順番に行う場合にはステップ104およびステップ106のいずれを先に行ってもよい。本システムでは、ステップ102で選択したモードに応じて、入力装置10のディスプレイに、材料パラメータおよびシミュレーション条件パラメータを入力するための対話式ウィンドウが表示される。ステップ102において溶媒を含まない系を選択した場合、このウィンドウには、上述したシミュレーション時間、ポリマーの鎖長、密度(数密度)、シェアレート、系の温度、シミュレーションボックスのサイズ(X,Y,Zの各ボックスサイズ)、ポリマーの屈曲性および制御法線力の各パラメータを入力する欄が設けられている。この対話式ウィンドウには、また、動画の生成を行うかどうかを番号(1:行う、2:行わない)で選択する欄が設けられている。ステップ102において溶媒を含む系を選択した場合には、さらにパッキングフラクションを入力する欄を有するウィンドウが表示されることとなる。各パラメータの入力欄には予めデフォルトのパラメータが入力されているので、変更の必要がなければ改めて入力する必要はない。   Next, material parameters are input (step 104) and simulation condition parameters are input (step 106). Step 104 and step 106 may be performed in parallel or sequentially. When performing in order, either step 104 or step 106 may be performed first. In the present system, an interactive window for inputting material parameters and simulation condition parameters is displayed on the display of the input device 10 according to the mode selected in step 102. If a solvent-free system is selected in step 102, this window includes the simulation time, polymer chain length, density (number density), share rate, system temperature, simulation box size (X, Y, Each box size), polymer flexibility, and control normal force parameters are provided. This interactive window also has a column for selecting whether to generate a moving image by a number (1: Yes, 2: No). When a system including a solvent is selected in step 102, a window having a column for inputting a packing fraction will be displayed. Since default parameters are input in advance in the input fields for each parameter, there is no need to input them again if there is no need to change them.

これらのパラメータの入力を終えたらプログラムコードを実行する(ステップ108)。ジョブが完了すると、出力装置30のディスプレイ(ここでは入力装置10のディスプレイと共通)にシミュレーション結果が表示される(ステップ110)。このシミュレーション結果は、コンピュータ20に接続されたプリンタからプリントアウトすることもでき、記憶装置24に保存することもできる。   When the input of these parameters is completed, the program code is executed (step 108). When the job is completed, the simulation result is displayed on the display of the output device 30 (here, common to the display of the input device 10) (step 110). The simulation result can be printed out from a printer connected to the computer 20 or can be stored in the storage device 24.

図3〜8は、上述した各パラメータの入力値を表2に示す値として(以下、これを「パラメータセットA」という。)プログラムコードを実行することにより得られたシミュレーション結果である。図3は系のスナップショットを示すものであって、横軸は剪断方向(x方向)を、縦軸は法線方向(y方向)を表している。図3中に「σ=0.25」とあるのはポリマー材料の表面密度を表す無次元量(σ* surf)であって、シミュレーションボックスのxy平面におけるポリマー鎖の数を表面積(無次元量)で割って求めた数密度である。該ポリマー材料に含まれるポリマーがPTFEである場合について、上述した次元換算因子を利用してこれを実際の表面密度(次元量)に換算すると、σsurf=σ* surf×σ-2=0.25×20-2=0.000625Å-2となる(前述のように、PTFEについては、長さの次元換算因子σ=20Åである。)。また、図3中に「n=0.30637」とあるのはポリマー材料のバルク密度を表す数であって、シミュレーションボックスに含まれる質点の数を該シミュレーションボックスの体積(無次元量)で割って求めたものである。ポリマーがPTFEである場合について、上記バルク密度(n=0.30637)を実際の密度(次元量)に換算すると、約8×10-3g/cm3となる。 3 to 8 show simulation results obtained by executing the program code with the input values of the above-described parameters as values shown in Table 2 (hereinafter referred to as “parameter set A”). FIG. 3 shows a snapshot of the system, where the horizontal axis represents the shear direction (x direction) and the vertical axis represents the normal direction (y direction). In FIG. 3, “σ = 0.25” is a dimensionless quantity (σ * surf ) representing the surface density of the polymer material, and the number of polymer chains in the xy plane of the simulation box is represented by the surface area (dimensionless quantity). ) Divided by the number density. When the polymer contained in the polymer material is PTFE and converted to an actual surface density (dimensional quantity) using the above-described dimension conversion factor, σ surf = σ * surf × σ −2 = 0. 25 × 20 −2 = 0.000625Å −2 (As described above, the length dimension conversion factor σ = 20Å for PTFE). In FIG. 3, “n = 0.36737” is a number representing the bulk density of the polymer material, and the number of mass points included in the simulation box is divided by the volume of the simulation box (dimensionless amount). It is what I asked for. When the polymer is PTFE, the above bulk density (n = 0.30637) is converted to an actual density (dimensional quantity), which is about 8 × 10 −3 g / cm 3 .

図4は、法線応力(無次元量)を時間に対してプロットしたグラフである。図5は、剪断応力を時間に対してプロットしたグラフである。図6は、時間毎の剪断応力と法線応力との比(時間依存摩擦係数)を時間に対してプロットしたグラフである。図7は、力場の二乗(<F2>)の空間的分散(応力集中の様子)を示す図であって、横軸をX、縦軸をYとして空間を縦横に区画し、各区画に加えられた応力の大きさを色分けにより表示している。この色と<F2>の値と色との対応関係を示す色見本が同図の右端に示されている。この色見本に示された数字は<F2>の値表す無次元量である。ポリマーがPTFEである場合について、この色見本における<F2>=1000,2000,3000を実際の応力(次元量)に換算すると、それぞれ3.9×10-3eV/Å2,7.8×10-3eV/Å2および11.7×10-3eV/Å2に相当する。 FIG. 4 is a graph in which normal stress (dimensionless amount) is plotted against time. FIG. 5 is a graph plotting shear stress versus time. FIG. 6 is a graph in which the ratio (time-dependent friction coefficient) between shear stress and normal stress over time is plotted against time. FIG. 7 is a diagram showing the spatial distribution (state of stress concentration) of the square of the force field (<F 2 >), where the horizontal axis is X and the vertical axis is Y, and the space is divided vertically and horizontally. The magnitude of the stress applied to is displayed by color coding. A color sample showing the correspondence between this color, the value of <F 2 >, and the color is shown at the right end of the figure. The numbers shown in this color sample are dimensionless quantities representing the value of <F 2 >. In the case where the polymer is PTFE, when <F 2 > = 1000, 2000, 3000 in this color sample is converted into actual stress (dimension amount), 3.9 × 10 −3 eV / Å 2 , 7.8, respectively. It corresponds to × 10 −3 eV / Å 2 and 11.7 × 10 −3 eV / Å 2 .

図8は、ある時点における結合長の分散を示すグラフであって、横軸は結合長を、縦軸は頻度を表している。図8中に「max bond length=1.0536」とあるのは有限伸び非線形弾性(FENE)スプリングの限界伸び長さを表す数であって、下記式
により算出した無次元量である。ポリマーがPTFEである場合について、この値を実際の長さ(次元量)に換算すると約21Åとなる。なお、ここで使用する粗視化モデルでは、過度な応力集中等によってポリマー鎖(質点間の結合)が破壊および断裂(chain break)を起こす潜在的可能性が考慮されているが、本シミュレーション条件ではそれらの現象は観察されなかった。
FIG. 8 is a graph showing the dispersion of bond lengths at a certain point in time, where the horizontal axis represents the bond length and the vertical axis represents the frequency. In FIG. 8, “max bond length = 1.0536” is a number representing the limit elongation length of a finite elongation non-linear elasticity (FENE) spring.
Is a dimensionless quantity calculated by In the case where the polymer is PTFE, this value is converted to an actual length (dimensional amount), which is about 21 cm. The coarse-grained model used here considers the possibility of polymer chains (bonds between mass points) breaking and chain breaks due to excessive stress concentration, etc. So those phenomena were not observed.

図9〜14は、パラメータセットAに含まれるパラメータのうち密度パラメータの値を20に変更したパラメータセットB(密度パラメータ以外の値はパラメータセットAと同じである。)についてプログラムコードを実行することにより得られたシミュレーション結果である。図9は、系のスナップショットを示す図である。図9中に「σ=0.5」とあるのはポリマー材料の表面密度を表す数であって(パラメータセットAの場合と同様)、実際の表面密度(次元量)に換算すると、ポリマーがPTFEの場合には約0.00125/Å2となる。また、図9中に「n=0.30637」とあるのはポリマー材料のバルク密度を表す数であって(パラメータセットAの場合と同様)、ポリマーがPTFEである場合について実際の密度(次元量)に換算すると、約8×10-3g/cm3となる。図3(パラメータセットA)と図9(パラメータセットB)との比較から、密度パラメータの入力値を10から20に変更したことが、表面密度およびバルク密度の増大として反映されたことがわかる。 9 to 14 show that the program code is executed for the parameter set B (the values other than the density parameter are the same as the parameter set A) in which the value of the density parameter is changed to 20 among the parameters included in the parameter set A It is the simulation result obtained by. FIG. 9 shows a snapshot of the system. In FIG. 9, “σ = 0.5” is a number representing the surface density of the polymer material (similar to the case of parameter set A), and when converted to the actual surface density (dimensional quantity), the polymer is In the case of PTFE, it is about 0.00125 / cm 2 . In FIG. 9, “n = 0.36737” is a number representing the bulk density of the polymer material (similar to the case of parameter set A), and the actual density (dimension) is obtained when the polymer is PTFE. In terms of amount, it is about 8 × 10 −3 g / cm 3 . From comparison between FIG. 3 (parameter set A) and FIG. 9 (parameter set B), it can be seen that changing the input value of the density parameter from 10 to 20 is reflected as an increase in surface density and bulk density.

図10は、法線応力を時間に対してプロットしたグラフである。図11は、剪断応力を時間に対してプロットしたグラフである。図12は、時間毎の剪断応力と法線応力との比(時間依存摩擦係数)を時間に対してプロットしたグラフである。図13は、力場の二乗(<F2>)の空間的分散を示す図である。図14は、ある時点における結合長の分散を示すグラフである。図14中に「max bond length=1.233」とあるのは有限伸び非線形弾性(FENE)スプリングの限界伸び長さを表す数であって、上記式により算出した無次元量である。ポリマーがPTFEである場合について、この値を実際の長さ(次元量)に換算すると約24.5Åとなる。このように、密度パラメータを変更するとmaximum bond lengthも変わる。なお、本シミュレーション条件ではポリマー鎖の破壊および断裂は観察されなかった。 FIG. 10 is a graph plotting normal stress against time. FIG. 11 is a graph plotting shear stress versus time. FIG. 12 is a graph in which the ratio (time-dependent friction coefficient) between shear stress and normal stress over time is plotted against time. FIG. 13 is a diagram showing the spatial dispersion of the square of the force field (<F 2 >). FIG. 14 is a graph showing the dispersion of bond lengths at a certain point in time. In FIG. 14, “max bond length = 1.233” is a number representing the limit elongation length of a finite elongation nonlinear elasticity (FENE) spring, which is a dimensionless amount calculated by the above formula. When the polymer is PTFE, when this value is converted into the actual length (dimensional amount), it is about 24.5 mm. Thus, changing the density parameter also changes the maximum bond length. In this simulation condition, neither polymer chain breakage nor breakage was observed.

このように、材料パラメータのうち少なくとも一つを異ならせた複数のパラメータセット(例えば、上記パラメータセットAとBとは密度パラメータが異なる)の各々について特性を予測することにより、その異ならせたパラメータが該特性に及ぼす影響を把握することができる。かかる知見に基づいて、よりよい特性を示すポリマー材料を効率よく見出す(設計する)ことができる。   In this way, by predicting the characteristics of each of a plurality of parameter sets in which at least one of the material parameters is different (for example, the parameter sets A and B have different density parameters), the different parameters are obtained. It is possible to grasp the influence of the above on the characteristics. Based on such knowledge, it is possible to efficiently find (design) a polymer material exhibiting better characteristics.

<実施例2>
表1に示す特性値を有するGe0=0.4MPaのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)につき、実施例1の設計システムを用いて、表3に示すパラメータセットCにおいて屈曲性パラメータの値を少しづつ異ならせてはプログラムコードを実行することを繰り返した(最適化ループ)。このようにして得られたシミュレーション結果を、屈曲性パラメータの値を横軸、シミュレーションにより予測された摩擦係数(時間依存摩擦係数を、シミュレーション開始から10-6秒〜1秒後の間で時間平均して得られた無次元量)の値を縦軸として図15に示す。同図から、屈曲性パラメータの値が5付近のときに摩擦係数が最も低くなることがわかる。このときの屈曲性パラメータの値は、現実のPTFEの持続長(次元量)に換算すると約100Åとなる。
<Example 2>
For the polytetrafluoroethylene (PTFE) of Ge 0 = 0.4 MPa having the characteristic values shown in Table 1, the value of the flexibility parameter is gradually changed in the parameter set C shown in Table 3 using the design system of Example 1. The program code was executed repeatedly (optimization loop). The simulation results obtained in this manner are calculated by using the value of the flexibility parameter as the horizontal axis and the friction coefficient predicted by the simulation (the time-dependent friction coefficient is calculated as a time average between 10 −6 seconds and 1 second after the start of the simulation. The dimensionless amount obtained in this manner is shown in FIG. From the figure, it can be seen that the coefficient of friction is lowest when the value of the flexibility parameter is around 5. The value of the flexibility parameter at this time is about 100 mm when converted into the actual duration (dimensional quantity) of PTFE.

<実施例3>
実施例2と同じPTFEにつき、実施例1の設計システムを用いて、表4に示すパラメータセットDにおいて密度パラメータの値を調節することによって表面密度パラメータ(無次元量)を少しづつ異ならせてはプログラムコードを実行することを繰り返した。このとき、フリクション係数を調節することにより、表面密度パラメータの値に拘わらず、バルク密度nが0.7(無次元量)に維持されるようにした。このようにして得られたシミュレーション結果を、表面密度パラメータの値を横軸、シミュレーションにより予測された摩擦係数の値を縦軸として図16に示す。同図から、無次元の表面密度パラメータσ* surfの値が0.16付近のときに摩擦係数が最も低くなることがわかる。このときの表面密度パラメータσ* surfの値は、現実のPTFEの表面密度(次元量)に換算すると、σsurf=σ* surf×σ-2=0.16×20-2=0.0004Å-2となる(前述のように、PTFEについてはσ=20Åである。)。また、無次元の表面密度パラメータσ* surfが0.25を超えると摩擦係数が急に上昇することがわかる。このときの表面密度パラメータσ* surfの値は、現実のPTFEの表面密度(次元量)に換算すると、0.25×20-2=0.000625Å-2となる。なお、PTFEの場合、図16の横軸(無次元の表面密度)の1単位は、現実の表面密度(次元量)の0.0025Å-2に換算される。
<Example 3>
For the same PTFE as in Example 2, by using the design system of Example 1 and adjusting the value of the density parameter in parameter set D shown in Table 4, the surface density parameter (dimensionless amount) should be changed little by little. Repeated execution of the program code. At this time, by adjusting the friction coefficient, the bulk density n was maintained at 0.7 (dimensionless amount) regardless of the value of the surface density parameter. The simulation results thus obtained are shown in FIG. 16 with the surface density parameter value as the horizontal axis and the friction coefficient value predicted by the simulation as the vertical axis. From the figure, it can be seen that the coefficient of friction is lowest when the dimensionless surface density parameter σ * surf is near 0.16. The value of the surface density parameter σ * surf at this time is converted to the actual surface density (dimensional quantity) of PTFE: σ surf = σ * surf × σ −2 = 0.16 × 20 −2 = 0.004Å − 2 (as mentioned above, σ = 20Å for PTFE). It can also be seen that when the dimensionless surface density parameter σ * surf exceeds 0.25, the friction coefficient increases rapidly. The value of the surface density parameter σ * surf at this time is 0.25 × 20 −2 = 0.000625Å− 2 when converted to the actual surface density (dimensional quantity) of PTFE. In the case of PTFE, one unit on the horizontal axis (non-dimensional surface density) in FIG. 16 is converted to 0.0025Å −2 of the actual surface density (dimensional quantity).

<実施例4>
実施例2と同じPTFEにつき、実施例1の設計システムを用いて、表5に示すパラメータセットEにおいて鎖長パラメータ(ポリマー鎖当たりの質点の数)の値を少しづつ異ならせてはプログラムコードを実行することを繰り返した。このようにして得られたシミュレーション結果を、鎖長パラメータの値を横軸、シミュレーションにより予測された摩擦係数の値を縦軸として図17に示す。同図から、鎖長パラメータの値が大きくなるにつれて摩擦係数が低くなることがわかる。このときの鎖長パラメータの値は、現実のPTFEの分子量に換算すると約2500〜4000となる。また、鎖長パラメータが10よりも低くなると摩擦係数が急に上昇することがわかる。このときの鎖長パラメータの値は、現実のPTFEの分子量に換算すると約1300となる。なお、PTFEの場合、図17の横軸(無次元の摩擦係数)1単位は、現実の摩擦係数(次元量)の626g/molに換算される。
<Example 4>
For the same PTFE as Example 2, using the design system of Example 1, the program code can be changed by slightly changing the value of the chain length parameter (number of mass points per polymer chain) in the parameter set E shown in Table 5. Repeated to run. The simulation results obtained in this way are shown in FIG. 17 with the value of the chain length parameter as the horizontal axis and the value of the friction coefficient predicted by the simulation as the vertical axis. From the figure, it can be seen that the coefficient of friction decreases as the value of the chain length parameter increases. The value of the chain length parameter at this time is about 2500 to 4000 when converted into the actual molecular weight of PTFE. It can also be seen that when the chain length parameter is lower than 10, the friction coefficient suddenly increases. The value of the chain length parameter at this time is about 1300 when converted to the actual molecular weight of PTFE. In the case of PTFE, one unit of the horizontal axis (dimensionless friction coefficient) in FIG. 17 is converted to 626 g / mol of an actual friction coefficient (dimensional amount).

<実施例5>
材料パラメータの異なる複数種類のPTFEを用意した。これらのPTFEをそれぞれステンレス板の表面にコートしてテストピースNo.1〜No.4を作製した。
[テストピースNo.1]
テストピースNo.1は、市販品から適当に選択したPTFE(以下、この材料を「PTFE(1)」という。)をコートしたものである。このPTFE(1)の持続長の測定値(実験値)は約20Åであり、表面密度の測定値(実験値)は0.00125Å-2程度であった。このテストピースNo.1について、表6に示すパラメータセットFにより、実施例1の設計システムを用いてシミュレーションを行った。このパラメータセットにおけるシェアレートパラメータ=1.2×10-4(無次元量)は、現実のシェアレート=10cm/秒に相当する。
得られたシミュレーション結果を、時間を横軸、時間依存摩擦係数(無次元量)を縦軸として図18に示す。なお、図18〜図25中の連続線は、該シミュレーションにより得られた多数のデータ(プロット)を加重平均してひいたものである。
<Example 5>
Plural types of PTFE having different material parameters were prepared. Test pieces No. 1 to No. 4 were prepared by coating these PTFEs on the surface of the stainless steel plate.
[Test piece No.1]
Test piece No. 1 was coated with PTFE appropriately selected from commercially available products (hereinafter, this material is referred to as “PTFE (1)”). The measured value (experimental value) of the persistence length of this PTFE (1) was about 20 cm, and the measured value (experimental value) of the surface density was about 0.00125 cm- 2 . This test piece No. 1 was simulated using the design system of Example 1 with the parameter set F shown in Table 6. The share rate parameter = 1.2 × 10 −4 (dimensionless amount) in this parameter set corresponds to the actual share rate = 10 cm / second.
The obtained simulation results are shown in FIG. 18 with time as the horizontal axis and time-dependent friction coefficient (dimensionless amount) as the vertical axis. The continuous lines in FIGS. 18 to 25 are obtained by weighting and averaging a large number of data (plots) obtained by the simulation.

また、シェアレートパラメータを1.2×10-4から2.4×10-4に変更した点以外はパラメータセットFと同様にして(パラメータセットF’)シミュレーションを行った。このパラメータセットF’におけるシェアレートパラメータ=2.4×10-4(無次元量)は、現実のシェアレート=20cm/秒に相当する。
得られたシミュレーション結果を、時間を横軸、時間依存摩擦係数(無次元量)を縦軸として図19に示す。
Further, simulation was performed in the same manner as the parameter set F (parameter set F ′) except that the share rate parameter was changed from 1.2 × 10 −4 to 2.4 × 10 −4 . The share rate parameter = 2.4 × 10 −4 (dimensionless amount) in the parameter set F ′ corresponds to the actual share rate = 20 cm / second.
The obtained simulation results are shown in FIG. 19 with time on the horizontal axis and time-dependent friction coefficient (dimensionless amount) on the vertical axis.

[テストピースNo.2]
パラメータセットF’(すなわち、シェアレート=20cm/秒)において屈曲性パラメータを少しづつ異ならせてはプログラムコードを実行することを繰り返すことにより屈曲性パラメータと摩擦係数との関係を把握した。また、パラメータセットF’において密度パラメータを少しづつ異ならせてはプログラムコードを実行することを繰り返すことにより、密度パラメータと摩擦係数との関係を把握した。これらの関係から、最も低い摩擦係数が実現されると予想される屈曲性パラメータと密度パラメータとの組み合わせを見出した。そして、市販のPTFEのなかから、該屈曲性パラメータになるべくよく適合する持続長と、該密度パラメータになるべくよく適合する表面密度とを有するPTFE(以下、この材料を「PTFE(2)」という。)を選択した。このPTFE(2)をステンレス板にコートしてテストピースNo.2を作製した。
[Test piece No.2]
In the parameter set F ′ (that is, the share rate = 20 cm / second), the relationship between the flexibility parameter and the friction coefficient was grasped by repeating the program code while changing the flexibility parameter little by little. In addition, the relationship between the density parameter and the friction coefficient was grasped by repeating the execution of the program code by changing the density parameter little by little in the parameter set F ′. From these relationships, a combination of a flexibility parameter and a density parameter, which is expected to achieve the lowest friction coefficient, was found. Of the commercially available PTFE, PTFE having a sustained length that fits as well as the flexibility parameter and a surface density that fits as well as the density parameter (hereinafter, this material is referred to as “PTFE (2)”). ) Was selected. Test piece No. 2 was produced by coating this PTFE (2) on a stainless steel plate.

このテストピースNo.2について、表7に示すパラメータセットGにより、実施例1の設計システムを用いてシミュレーションを行った。このパラメータセットにおけるシェアレートパラメータ=1.2×10-4(無次元量)は、現実のシェアレート=10cm/秒に相当する。また、シェアレートパラメータを1.2×10-4から2.4×10-4に変更した点以外はパラメータセットGと同様にして(パラメータセットG’)シミュレーションを行った。このパラメータセットG’におけるシェアレートパラメータ=2.4×10-4(無次元量)は、現実のシェアレート=20cm/秒に相当する。
得られたシミュレーション結果を、時間を横軸、時間依存摩擦係数(無次元量)を縦軸として図20(シェアレート=10cm/秒)および図21(シェアレート=20cm/秒)に示す。
The test piece No. 2 was simulated using the design system of Example 1 with the parameter set G shown in Table 7. The share rate parameter = 1.2 × 10 −4 (dimensionless amount) in this parameter set corresponds to the actual share rate = 10 cm / second. Further, the simulation was performed in the same manner as the parameter set G (parameter set G ′) except that the share rate parameter was changed from 1.2 × 10 −4 to 2.4 × 10 −4 . The share rate parameter = 2.4 × 10 −4 (dimensionless amount) in this parameter set G ′ corresponds to the actual share rate = 20 cm / second.
The obtained simulation results are shown in FIG. 20 (share rate = 10 cm / second) and FIG. 21 (share rate = 20 cm / second) with time as the horizontal axis and time-dependent friction coefficient (dimensionalless amount) as the vertical axis.

[テストピースNo.3]
市販のPTFEのなかから、テストピースNo.2の作製に使用したPTFE(2)よりもやや長い持続長を有するPTFE(以下、この材料を「PTFE(3)」という。)を選択した。このPTFE(3)をステンレス板にコートしてテストピースNo.3を作製した。
このテストピースNo.3について、表8に示すパラメータセットHにより、実施例1の設計システムを用いてシミュレーションを行った。このパラメータセットにおけるシェアレートパラメータ=1.2×10-4(無次元量)は、現実のシェアレート=10cm/秒に相当する。また、シェアレートパラメータを1.2×10-4から2.4×10-4に変更した点以外はパラメータセットHと同様にして(パラメータセットH’)シミュレーションを行った。このパラメータセットH’におけるシェアレートパラメータ=2.4×10-4(無次元量)は、現実のシェアレート=20cm/秒に相当する。
得られたシミュレーション結果を、時間を横軸、時間依存摩擦係数(無次元量)を縦軸として図22(シェアレート=10cm/秒)および図23(シェアレート=20cm/秒)に示す。
[Test piece No.3]
From commercially available PTFE, PTFE having a slightly longer duration than PTFE (2) used for the production of test piece No. 2 (hereinafter, this material is referred to as “PTFE (3)”) was selected. Test piece No. 3 was produced by coating this PTFE (3) on a stainless steel plate.
The test piece No. 3 was simulated using the design system of Example 1 with the parameter set H shown in Table 8. The share rate parameter = 1.2 × 10 −4 (dimensionless amount) in this parameter set corresponds to the actual share rate = 10 cm / second. Further, a simulation was performed in the same manner as the parameter set H (parameter set H ′) except that the share rate parameter was changed from 1.2 × 10 −4 to 2.4 × 10 −4 . The share rate parameter = 2.4 × 10 −4 (dimensionless amount) in this parameter set H ′ corresponds to the actual share rate = 20 cm / second.
The obtained simulation results are shown in FIG. 22 (share rate = 10 cm / second) and FIG. 23 (share rate = 20 cm / second), with time on the horizontal axis and time-dependent friction coefficient (dimensionless amount) on the vertical axis.

[テストピースNo.4]
市販のPTFEのなかから、テストピースNo.2の作製に使用したPTFE(2)よりもやや大きな表面密度を有するPTFE(以下、この材料を「PTFE(4)」という。)を選択した。このPTFE(4)をステンレス板にコートしてテストピースNo.4を作製した。
このテストピースNo.4について、表9に示すパラメータセットIにより、実施例1の設計システムを用いてシミュレーションを行った。このパラメータセットにおけるシェアレートパラメータ=1.2×10-4(無次元量)は、現実のシェアレート=10cm/秒に相当する。また、シェアレートパラメータを1.2×10-4から2.4×10-4に変更した点以外はパラメータセットIと同様にして(パラメータセットI’)シミュレーションを行った。このパラメータセットI’におけるシェアレートパラメータ=2.4×10-4(無次元量)は、現実のシェアレート=20cm/秒に相当する。
得られたシミュレーション結果を、時間を横軸、時間依存摩擦係数(無次元量)を縦軸として図24(シェアレート=10cm/秒)および図25(シェアレート=20cm/秒)に示す。
[Test piece No.4]
PTFE having a slightly higher surface density than PTFE (2) used for the production of test piece No. 2 (hereinafter, this material is referred to as “PTFE (4)”) was selected from commercially available PTFE. Test piece No. 4 was produced by coating this PTFE (4) on a stainless steel plate.
This test piece No. 4 was simulated using the design system of Example 1 with the parameter set I shown in Table 9. The share rate parameter = 1.2 × 10 −4 (dimensionless amount) in this parameter set corresponds to the actual share rate = 10 cm / second. Further, the simulation was performed in the same manner as the parameter set I (parameter set I ′) except that the share rate parameter was changed from 1.2 × 10 −4 to 2.4 × 10 −4 . The share rate parameter = 2.4 × 10 −4 (dimensionless amount) in the parameter set I ′ corresponds to the actual share rate = 20 cm / second.
The obtained simulation results are shown in FIG. 24 (share rate = 10 cm / second) and FIG. 25 (share rate = 20 cm / second), with time on the horizontal axis and time-dependent friction coefficient (dimensionless amount) on the vertical axis.

[テストピースNo.1〜No.4の比較]
上記で作製したテストピースNo.1〜No.4について、実際に摩擦係数を測定(実測)した。摩擦係数の測定には、ボールオンプレート型摩擦試験機(CSM, Ball-on-Plate Tribometer)を使用した。測定条件は以下のとおりである。
負荷(Load):5N、
負荷分解能(Load resolution):10mN、
回転ピンの半径:5mm、
ボールの材質:スチール、
ボールの半径:0.5mm、
測定温度:室温。
回転速度(Rotation speed)を調節することにより、移動速度(シェアレート)10cm/秒(低速)および20cm/秒(中速)における摩擦係数をそれぞれ測定した。測定は断続的に行い、これにより得られた瞬時の摩擦係数を時系列的に平均した値を各テストピースの摩擦係数とした。得られた試験結果を表10に示す。
[Comparison of test pieces No.1 to No.4]
For the test pieces No. 1 to No. 4 produced above, the friction coefficient was actually measured (actual measurement). A ball-on-plate friction tester (CSM, Ball-on-Plate Tribometer) was used to measure the friction coefficient. The measurement conditions are as follows.
Load: 5N
Load resolution: 10 mN,
Rotating pin radius: 5mm,
Ball material: Steel,
Ball radius: 0.5mm,
Measurement temperature: room temperature.
By adjusting the rotation speed, the friction coefficient at a moving speed (share rate) of 10 cm / second (low speed) and 20 cm / second (medium speed) was measured. The measurement was performed intermittently, and the value obtained by averaging the instantaneous friction coefficients obtained in this manner over time was used as the friction coefficient of each test piece. The test results obtained are shown in Table 10.

図26は、テストピースNo.1〜4についてのシェアレート10cm/秒におけるシミュレーション結果(図18,20,22,24参照)をまとめて示したものである。また、図27は、これらのテストピースのシェアレート20cm/秒におけるシミュレーション結果(図19,21,23,25参照)をまとめて示したものである。図26および図27と表10に示す実測値とを比較することにより、いずれのシェアレートにおいても、シミュレーション結果と実測値との間でテストピースNo.1〜4の摩擦係数の大きさの順序が一致していることがわかる。また、シミュレーションにより求めた好適なパラメータの組み合わせを考慮して選択したテストピースNo.2〜4は、いずれも、市販品を適当に選択したテストピースNo.1に比べて明らかに低い摩擦係数を示した。
これらの結果から、本発明のポリマー設計方法を適用することにより、所望の特性(ここでは摩擦係数が低いこと)を満たすポリマー材料を効率よく設計し得ることが確認された。また、上記ポリマー材料設計システムによれば、かかる設計方法を適切に実行し得ることが確認された。
FIG. 26 collectively shows the simulation results (see FIGS. 18, 20, 22, and 24) for the test pieces No. 1 to 4 at a share rate of 10 cm / sec. FIG. 27 collectively shows the simulation results (see FIGS. 19, 21, 23, and 25) of these test pieces at a share rate of 20 cm / sec. 26 and 27 are compared with the actual measurement values shown in Table 10, and the order of the friction coefficient magnitudes of the test pieces No. 1 to 4 between the simulation results and the actual measurement values at any share rate. Can be seen to match. In addition, the test pieces No. 2 to 4 selected in consideration of a suitable combination of parameters obtained by simulation have a friction coefficient that is clearly lower than that of the test piece No. 1 in which commercially available products are appropriately selected. Indicated.
From these results, it was confirmed that by applying the polymer design method of the present invention, a polymer material satisfying desired characteristics (here, having a low coefficient of friction) can be efficiently designed. Moreover, according to the said polymer material design system, it was confirmed that this design method can be performed appropriately.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、材料パラメータおよびシミュレーション条件パラメータを取得する手段として上記実施例ではディスプレイおよびキーボードを備える入力装置を使用したが、キーボードに代えてマウスを備える構成としてもよく、あるいはタッチパネル式のディスプレイにより入力する構成、音声により入力する構成等としてもよい。また、実施例1では全てのパラメータについて入力を行う(あるいはデフォルトのパラメータを承認する)ことによって材料パラメータおよびシミュレーション条件パラメータを取得する態様につき説明したが、少なくとも一部のパラメータを予め記憶装置に保存(登録)されたデータから読み出して取得する態様としてもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
For example, in the above embodiment, an input device including a display and a keyboard is used as a means for acquiring material parameters and simulation condition parameters. However, a configuration including a mouse instead of the keyboard or a configuration using a touch panel display may be used. Further, it may be configured to input by voice. In the first embodiment, the description has been given of the mode in which the material parameters and the simulation condition parameters are acquired by inputting all the parameters (or accepting the default parameters). However, at least some parameters are stored in the storage device in advance. It is good also as an aspect which reads and acquires from the (registered) data.
In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

なお、本明細書により開示される内容には以下のものが含まれる。
(1)ポリマー系(polymer systems)に粗視化モデルを適用することによって、少数の分子構造要素を考慮してポリマー材料の特性を設計する方法。好ましい一つの態様では、化学的特性の詳細を無視してポリマー系に粗視化モデルを適用する。ポリマー系の材料特性は、適切な粗視化モデルを考慮することによって、化学的性質の詳細(chemical details)とは無関係に好適化することができる。ここで、粗視化モデルは、量子力学系(ゆらぎのある系)とは異なり、通常の力学系(mechanical system)として規定される。好ましい一つの態様では、この力学系の特性振動数(characteristic frequencies)は原子−原子間の結合振動数よりも低い。他の一つの好ましい態様では、この力学系の特性長(characteristic length)が原子の結合長さよりも長い(より好ましくは約10Åよりも長い)。上記特性長は、例えば、ポリマー鎖の持続長であり得る。
In addition, the following are included in the content disclosed by this specification.
(1) A method of designing the characteristics of a polymer material in consideration of a small number of molecular structural elements by applying a coarse-grained model to polymer systems. In one preferred embodiment, the coarse grain model is applied to the polymer system ignoring the details of the chemical properties. Polymer-based material properties can be optimized independently of chemical details by considering an appropriate coarse-grained model. Here, the coarse-grained model is defined as a normal mechanical system, unlike a quantum mechanical system (a system with fluctuations). In a preferred embodiment, the characteristic frequencies of the dynamic system are lower than the atom-atom bond frequencies. In another preferred embodiment, the characteristic length of the dynamic system is longer than the bond length of the atom (more preferably longer than about 10 Å). The characteristic length can be, for example, the persistence length of the polymer chain.

(2)上記粗視化モデルにおいてポリマー系に含まれるポリマー鎖は相互作用する質点により表され、各質点は二またはそれ以上のモノマーユニットを表す、上記(1)に記載の方法。このようなポリマー系は、曲げ柔軟性および最大伸び率(最大延び長さ)がコントロールされたユニット間(質点間)の力学則によってキャラクタライズされ得る。好ましい一つの態様では、さらにポリマー分子の分子量およびトポロジー(アーキテクチャ)がコントロールされている。かかるポリマー系は、複数のポリマー分子を含んで構成され、該ポリマーの数密度およびポリマー種の組成により特定され得る。多分散系では、上記パラメータの分散によって系がキャラクタライズされ得る。 (2) The method according to (1) above, wherein in the coarse-grained model, a polymer chain included in a polymer system is represented by an interacting mass point, and each mass point represents two or more monomer units. Such polymer systems can be characterized by dynamical rules between units (between mass points) with controlled bending flexibility and maximum elongation (maximum elongation length). In a preferred embodiment, the molecular weight and topology (architecture) of the polymer molecules are further controlled. Such a polymer system is composed of a plurality of polymer molecules and can be specified by the number density of the polymer and the composition of the polymer species. In a polydisperse system, the system can be characterized by the dispersion of the above parameters.

(3)粗視化モデルに基づいて、粘性、粘弾性、摩擦係数、配向性、時間依存性、静的特性および光学特性等の特性がコントロールされたコーティング用ポリマー材料(またはポリマーコーティング)を設計する方法。好ましい一つの方法では、表面密度がコントロールされたコーティング用ポリマー材料を設計する。 (3) Based on the coarse-grained model, design a coating polymer material (or polymer coating) with controlled properties such as viscosity, viscoelasticity, coefficient of friction, orientation, time dependence, static properties and optical properties. how to. In one preferred method, a coating polymer material with a controlled surface density is designed.

(4)上記(1)〜(3)のいずれかに記載の方法を適用して低摩擦のポリマー材料(または該ポリマー材料に含まれるポリマー)を設計する方法。 (4) A method for designing a low-friction polymer material (or a polymer contained in the polymer material) by applying the method according to any one of (1) to (3) above.

(5)上記(1)〜(3)のいずれかに記載の方法を適用して、好適な特性(例えば低摩擦のポリマー材料)を与えると予想されるパラメータ値の組み合わせを把握すること、
そのパラメータ値の組み合わせに含まれるパラメータを、必要に応じて、ポリマー材料に含まれるポリマーの分子構造(例えば、分子量、トポロジー、密度等)を示す表現に変換すること、
かかる分子構造を有するポリマーを用意すること、
を包含するポリマー材料の製造方法。
(5) By applying the method according to any one of (1) to (3) above, grasping a combination of parameter values expected to give suitable characteristics (for example, a low friction polymer material),
Converting the parameters included in the parameter value combination into a representation that indicates the molecular structure (eg, molecular weight, topology, density, etc.) of the polymer included in the polymer material, if necessary,
Providing a polymer having such a molecular structure;
A process for producing a polymeric material comprising

実施例1の設計システムの概略構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a design system of Example 1. FIG. 実施例1の設計システムを用いてポリマー材料の特性を予測する手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which estimates the characteristic of a polymer material using the design system of Example 1. FIG. パラメータセットAについてのシミュレーション結果(スナップショット)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (snapshot) about the parameter set A. パラメータセットAについてのシミュレーション結果(法線応力)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (normal stress) about the parameter set A. パラメータセットAについてのシミュレーション結果(剪断応力)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (shear stress) about the parameter set A. パラメータセットAについてのシミュレーション結果(時間依存摩擦係数)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (time-dependent friction coefficient) about the parameter set A. パラメータセットAについてのシミュレーション結果(力場の二乗の空間的分散)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (spatial dispersion | distribution of the square of a force field) about the parameter set A. パラメータセットAについてのシミュレーション結果(結合長の分散)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (variation of coupling length) about the parameter set A. パラメータセットBについてのシミュレーション結果(スナップショット)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (snapshot) about the parameter set B. パラメータセットBについてのシミュレーション結果(法線応力)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (normal stress) about the parameter set B. パラメータセットBについてのシミュレーション結果(剪断応力)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (shear stress) about the parameter set B. FIG. パラメータセットBについてのシミュレーション結果(時間依存摩擦係数)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (time-dependent friction coefficient) about the parameter set B. パラメータセットBについてのシミュレーション結果(力場の二乗の空間的分散)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (spatial dispersion | distribution of the square of a force field) about the parameter set B. パラメータセットBについてのシミュレーション結果(結合長の分散)を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing simulation results (coupling length dispersion) for parameter set B. 持続長と摩擦係数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between lasting length and a friction coefficient. 表面密度と摩擦係数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a surface density and a friction coefficient. バルク密度と摩擦係数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a bulk density and a friction coefficient. サンプルNo.1についてのシミュレーション結果(シェアレート10cm/秒における時間依存摩擦係数)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (time-dependent friction coefficient in a share rate of 10 cm / sec) about sample No.1. サンプルNo.1についてのシミュレーション結果(シェアレート20cm/秒における時間依存摩擦係数)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (time-dependent friction coefficient in a share rate of 20 cm / sec) about sample No.1. サンプルNo.2についてのシミュレーション結果(シェアレート10cm/秒における時間依存摩擦係数)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (Time-dependent friction coefficient in a share rate of 10 cm / sec) about sample No.2. サンプルNo.2についてのシミュレーション結果(シェアレート20cm/秒における時間依存摩擦係数)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (Time dependent friction coefficient in 20 cm / sec of share rates) about sample No.2. サンプルNo.3についてのシミュレーション結果(シェアレート10cm/秒における時間依存摩擦係数)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (Time-dependent friction coefficient in a share rate of 10 cm / sec) about sample No.3. サンプルNo.3についてのシミュレーション結果(シェアレート20cm/秒における時間依存摩擦係数)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (Time dependent friction coefficient in 20 cm / sec of share rates) about sample No.3. サンプルNo.4についてのシミュレーション結果(シェアレート10cm/秒における時間依存摩擦係数)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (Time-dependent friction coefficient in a share rate of 10 cm / sec) about sample No.4. サンプルNo.4についてのシミュレーション結果(シェアレート20cm/秒における時間依存摩擦係数)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the simulation result (Time-dependent friction coefficient in 20 cm / sec of share rates) about sample No.4. サンプルNo.1〜4についてのシミュレーション結果(シェアレート10cm/秒における時間依存摩擦係数)をまとめて示す説明図である。It is explanatory drawing which shows collectively the simulation result (Time-dependent friction coefficient in a share rate of 10 cm / sec) about sample No. 1-4. サンプルNo.1〜4についてのシミュレーション結果(シェアレート20cm/秒における時間依存摩擦係数)をまとめて示す説明図である。It is explanatory drawing which shows collectively the simulation result (Time-dependent friction coefficient in a share rate of 20 cm / sec) about sample No. 1-4.

符号の説明Explanation of symbols

10:入力装置
20:コンピュータ
22:演算装置
24:記憶装置
30:出力装置
10: input device 20: computer 22: arithmetic device 24: storage device 30: output device

Claims (2)

所望の用途に適したポリマー材料を、該ポリマー材料の粗視化モデルを用いて設計するためのシステムであって、
少なくとも以下のもの:
ポリマー材料に含まれるポリマーの鎖長を表す鎖長パラメータ;
該ポリマー材料の密度を表す密度パラメータ;および、
該ポリマーの屈曲性を表す屈曲性パラメータ;
を含む材料パラメータを取得する手段と、
少なくとも以下のもの:
シミュレーションを行う時間の長さを表す時間パラメータ;
シミュレーションを行う系の温度を表す温度パラメータ;および、
シミュレーションボックスのサイズを表すセルサイズパラメータ;
を含むシミュレーション条件パラメータを取得する手段と、
それらのパラメータを用いて、前記ポリマー材料の粗視化モデルであって前記ポリマーが各々二以上のモノマーユニットを表す隣接する質点が有限伸び非線形弾性スプリングにより連結されたビーズ−スプリング鎖としてモデル化された粗視化モデルについて分子動力学法に基づくシミュレーションを行う手段と、
そのシミュレーション結果を出力する手段と、
を備えており、
前記シミュレーションを行う手段は、前記ポリマー鎖の一端が繋ぎとめられたポリマーコーティングを有する表面を備える第一の壁と、該ポリマーコーティングを有する表面と向かい合う表面であってポリマーコーティングを有する表面を備える第二の壁とが所定のシェアレートで相対移動する条件において前記シミュレーションを行い、
前記シミュレーション条件パラメータは前記シェアレートを表すシェアレートパラメータをさらに含むことを特徴とする設計システム。
A system for designing a polymer material suitable for a desired application using a coarse-grained model of the polymer material,
At least the following:
A chain length parameter representing the chain length of the polymer contained in the polymer material;
A density parameter representing the density of the polymeric material; and
A flexibility parameter representing the flexibility of the polymer;
Means for obtaining a material parameter comprising:
At least the following:
A time parameter representing the duration of the simulation;
A temperature parameter representing the temperature of the system to be simulated; and
A cell size parameter representing the size of the simulation box;
Means for obtaining simulation condition parameters including:
Using these parameters, a coarse-grained model of the polymer material is modeled as a bead-spring chain in which adjacent mass points each representing two or more monomer units of the polymer are connected by a finite stretch nonlinear elastic spring. A means of performing a simulation based on molecular dynamics for the coarse-grained model,
Means for outputting the simulation results;
With
The means for performing the simulation comprises: a first wall comprising a surface having a polymer coating to which one end of the polymer chain is anchored; and a surface facing the surface having the polymer coating and having a polymer coating. Perform the simulation under the condition that the second wall moves relative to the predetermined share rate,
The simulation system parameter further includes a share rate parameter representing the share rate.
前記第一の壁に対する法線力を制御して前記シミュレーションを行い、
前記シミュレーション条件パラメータは前記第一の壁に対する法線力の値または範囲を指定する制御法線力パラメータをさらに含む、請求項に記載のシステム。
Control the normal force on the first wall to perform the simulation,
The system of claim 1 , wherein the simulation condition parameter further comprises a control normal force parameter that specifies a value or range of normal force for the first wall.
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