JP6458097B1 - Coarse-grained molecular dynamics simulation method for polymer materials - Google Patents

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Abstract

【課題】 安定したシミュレーション結果を得る。【解決手段】 コンピュータを用いて、ポリマーと、フィラーと、前記ポリマーに前記フィラーを結合させるためのカップリング剤とを含む高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーションを行うための方法である。このシミュレーション方法では、カップリング剤の分子構造を、各々が30〜550の分子量を有する複数の粗視化粒子でモデリングする工程S4を含む。【選択図】図4To obtain a stable simulation result. A method for performing coarse-grained molecular dynamics simulation of a polymer material including a polymer, a filler, and a coupling agent for binding the filler to the polymer, using a computer. This simulation method includes a step S4 of modeling the molecular structure of the coupling agent with a plurality of coarse-grained particles each having a molecular weight of 30 to 550. [Selection] Figure 4

Description

本発明は、高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法に関し、詳しくは、ポリマーにフィラーを結合させるためのカップリング剤を含む高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーションを行うための方法に関する。   The present invention relates to a coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material, and more particularly, a method for performing coarse-grained molecular dynamics simulation of a polymer material including a coupling agent for bonding a filler to a polymer. About.

下記特許文献1は、コンピュータを用いて、フィラーとポリマーとを結合させるためのカップリング剤が配合された高分子材料のシミュレーション方法を提案している。このシミュレーション方法では、コンピュータに、カップリング剤をモデル化したカップリング剤モデルを設定する工程が含まれている。   The following Patent Document 1 proposes a simulation method of a polymer material in which a coupling agent for bonding a filler and a polymer is blended using a computer. In this simulation method, a step of setting a coupling agent model obtained by modeling a coupling agent in a computer is included.

特開2015−212925号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-212925

上記特許文献1は、少なくとも一つのカップリング粒子モデルで、カップリング剤モデルをモデリングすることを教えているが、モデリングに関する明確な基準については教えていない。従って、カップリング剤のモデリングは、オペレータの裁量によって実施されていたため、カップリング剤モデルにバラツキが生じ、安定したシミュレーション結果を得ることができないという問題があった。   The above-mentioned Patent Document 1 teaches modeling a coupling agent model with at least one coupling particle model, but does not teach a clear standard for modeling. Therefore, since modeling of the coupling agent is performed at the discretion of the operator, there is a problem that the coupling agent model varies and a stable simulation result cannot be obtained.

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、安定したシミュレーション結果を得ることができる高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法を提供することを主たる目的としている。   The present invention has been devised in view of the above circumstances, and has as its main object to provide a coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material capable of obtaining a stable simulation result.

本発明は、ポリマーと、フィラーと、前記ポリマーに前記フィラーを結合させるためのカップリング剤とを含む高分子材料について、前記ポリマーをモデリングしたポリマーモデル、前記フィラーをモデリングしたフィラーモデル、及び、前記カップリング剤をモデリングしたカップリング剤モデルを含む高分子材料モデルを用いた粗視化分子動力学シミュレーションを、コンピュータを用いて行うための方法であって、前記高分子材料の一部に対応する仮想空間であるセルを、前記コンピュータに定義する工程と、前記セルの内部に、前記ポリマーモデル、前記フィラーモデル、及び、前記カップリング剤モデルを配置して、前記高分子材料モデルを前記コンピュータに定義する工程とを含み、前記ポリマーモデルは、前記ポリマーの分子構造を、各々が30〜550の分子量を有する複数の粗視化粒子でモデリングしたものであり、前記カップリング剤モデルは、前記カップリング剤の分子構造を、各々が30〜550の分子量を有する複数の粗視化粒子でモデリングしたものであることを特徴とする。 The present invention relates to a polymer model including a polymer, a filler, and a coupling agent for binding the filler to the polymer, a polymer model modeling the polymer, a filler model modeling the filler, and the A method for performing coarse-grained molecular dynamics simulation using a polymer material model including a coupling agent model modeling a coupling agent using a computer, and corresponding to a part of the polymer material Defining a cell, which is a virtual space, in the computer; and disposing the polymer model, the filler model, and the coupling agent model inside the cell, so that the polymer material model is stored in the computer. The polymer model is a molecule of the polymer The concrete, which each modeled by a plurality of coarse-grained particles having a molecular weight of 30 to 550, wherein the coupling agent model, the molecular structure of the coupling agent, each having a molecular weight of 30 to 550 It is characterized by modeling with a plurality of coarse-grained particles.

本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記カップリング剤の粗視化粒子の分子量は、前記ポリマーの粗視化粒子の分子量と同一であってもよい。   In the coarse-grained molecular dynamics simulation method for the polymer material according to the present invention, the molecular weight of the coarse-grained particles of the coupling agent may be the same as the molecular weight of the coarse-grained particles of the polymer.

本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記コンピュータが、前記高分子材料モデルの変形計算を行って、前記ポリマーモデル、前記フィラーモデル、及び、前記カップリング剤モデルが配置されていない前記セルの空孔の大きさに基づいて、前記高分子材料の破壊を評価する工程とをさらに含んでもよい。 In the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material according to the present invention, the computer performs deformation calculation of the polymer material model, and the polymer model, the filler model, and the coupling agent model are calculated. And a step of evaluating the destruction of the polymer material based on the size of the pores of the cell in which the is not disposed.

本発明に係る前記高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法において、前記高分子材料モデルの変形計算を行う工程に先立ち、前記コンピュータが、前記高分子材料モデルの構造緩和を計算する工程と、前記高分子材料モデルの構造緩和を計算した後、前記コンピュータが、前記カップリング剤モデルを介して、前記フィラーモデルと前記ポリマーモデルとの間を連結するとともに、隣接する前記ポリマーモデル間を連結する架橋モデルを定義して、前記高分子材料モデルの構造緩和を再計算する工程とをさらに含んでもよい。 In the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material according to the present invention, prior to the step of calculating deformation of the polymer material model, the computer calculates structural relaxation of the polymer material model; After calculating the structural relaxation of the polymer material model, the computer connects the filler model and the polymer model through the coupling agent model and connects the adjacent polymer models. And defining a cross-linking model to recalculate the structural relaxation of the polymer material model.

本発明の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法は、前記カップリング剤の分子構造を、各々が30〜550の分子量を有する複数の粗視化粒子でモデリングする工程を含んでいる。これにより、本発明では、前記カップリング剤の分子構造を、明確な基準に基づいてモデリングすることができるため、安定したシミュレーション結果を得ることができる。   The coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material of the present invention includes a step of modeling the molecular structure of the coupling agent with a plurality of coarse-grained particles each having a molecular weight of 30 to 550. Thereby, in this invention, since the molecular structure of the said coupling agent can be modeled based on a clear reference | standard, the stable simulation result can be obtained.

また、粗視化粒子の30〜550の分子量は、前記ポリマーの分子構造のモデリングに用いられる一般的な粗視化粒子の分子量に近似する。従って、本発明の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法は、前記カップリング剤の前記粗視化粒子の分子量と、前記ポリマーの前記粗視化粒子の分子量とを近似させることができるため、精度の高いシミュレーションが可能となる。   Moreover, the molecular weight of 30-550 of the coarse-grained particles approximates the molecular weight of general coarse-grained particles used for modeling the molecular structure of the polymer. Therefore, the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymer material of the present invention can approximate the molecular weight of the coarse-grained particles of the coupling agent and the molecular weight of the coarse-grained particles of the polymer. Therefore, highly accurate simulation is possible.

本実施形態の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法を実行するためのコンピュータの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the computer for performing the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymeric material of this embodiment. ポリマーの一例を示す構造式である。It is a structural formula showing an example of a polymer. カップリング剤の一例を示す構造式である。It is structural formula which shows an example of a coupling agent. 本実施形態の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of the coarse-grained molecular dynamics simulation method of the polymeric material of this embodiment. フィラーモデル、ポリマーモデル、及び、カップリング剤モデルが配置されたセルの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of the cell by which the filler model, the polymer model, and the coupling agent model are arrange | positioned. フィラーモデルのフィラー粒子モデルの拡大図である。It is an enlarged view of the filler particle model of a filler model. ポリマーモデルの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of a polymer model. フィラーモデル、ポリマーモデル及びカップリング剤モデルのポテンシャルの一例を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining an example of the potential of a filler model, a polymer model, and a coupling agent model. (a)は、フィラーモデルとポリマーモデルとの間を一つの粗視化粒子を介して連結したカップリング剤モデルの一例を示す概念図、(b)は、フィラーモデルとポリマーモデルとの間を複数の粗視化粒子を介して連結したカップリング剤モデルの一例を示す概念図である。(A) is a conceptual diagram showing an example of a coupling agent model in which a filler model and a polymer model are connected via one coarse-grained particle, and (b) is a diagram between a filler model and a polymer model. It is a conceptual diagram which shows an example of the coupling agent model connected through several coarse-grained particle | grains. 架橋モデルで連結された一対のポリマーモデルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a pair of polymer model connected with the bridge | crosslinking model. (a)は、変形計算前の高分子材料モデルの一部を示す概念図、(b)は、変形計算後の高分子材料モデルの一部を示す概念図である。(A) is a conceptual diagram showing a part of a polymer material model before deformation calculation, and (b) is a conceptual diagram showing a part of the polymer material model after deformation calculation.

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法(以下、単に「シミュレーション方法」ということがある。)は、コンピュータを用いて、ポリマーと、フィラーと、ポリマーにフィラーを結合させるためのカップリング剤とを含む高分子材料について、粗視化分子動力学計算を行うための方法である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The coarse-grained molecular dynamics simulation method (hereinafter sometimes simply referred to as “simulation method”) of the polymer material according to the present embodiment uses a computer to bind a polymer, a filler, and a filler to the polymer. This is a method for performing coarse-grained molecular dynamics calculation on a polymer material containing a coupling agent.

図1は、本発明のシミュレーション方法を実行するコンピュータの一例を示す斜視図である。コンピュータ1は、本体1a、キーボード1b、マウス1c及びディスプレイ装置1dを含んでいる。この本体1aには、例えば、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリ、磁気ディスクなどの記憶装置、及び、ディスクドライブ装置1a1、1a2が設けられている。また、記憶装置には、本実施形態のシミュレーション方法を実行するためのソフトウェア等が予め記憶されている。   FIG. 1 is a perspective view showing an example of a computer that executes the simulation method of the present invention. The computer 1 includes a main body 1a, a keyboard 1b, a mouse 1c, and a display device 1d. The main body 1a is provided with, for example, an arithmetic processing unit (CPU), a ROM, a working memory, a storage device such as a magnetic disk, and disk drive devices 1a1 and 1a2. The storage device stores in advance software or the like for executing the simulation method of the present embodiment.

ポリマーとしては、例えば、天然ゴム、合成ゴム、又は、樹脂等が採用される。図2は、ポリマーの一例を示す構造式である。本実施形態のポリマーとしては、図2に示されるように、cis-1,4ポリイソプレン(以下、単に「ポリイソプレン」ということがある。)が例示される。ポリイソプレンを構成するポリマーは、メチン基等(例えば、−CH=、>C=)、メチレン基(−CH−)、及び、メチル基(−CH)によって構成されるイソプレンのモノマー(イソプレン分子)3が、重合度nで連結されて構成されている。なお、ポリマーには、ポリイソプレン以外のものが用いられてもよい。 As the polymer, for example, natural rubber, synthetic rubber, resin, or the like is employed. FIG. 2 is a structural formula showing an example of a polymer. As a polymer of this embodiment, as shown in FIG. 2, cis-1,4 polyisoprene (hereinafter sometimes simply referred to as “polyisoprene”) is exemplified. Polymer constituting the polyisoprene methine group (e.g., -CH =,> C =) , methylene group (-CH 2 -), and a monomer isoprene constituted by a methyl group (-CH 3) (isoprene Molecule) 3 is connected with a polymerization degree n. A polymer other than polyisoprene may be used as the polymer.

フィラーとしては、例えば、シリカ、カーボンブラック、又は、アルミナ等が採用される。図3は、カップリング剤の一例を示す構造式である。本実施形態のカップリング剤としては、シランカップリング剤(TESPD)である場合が例示される。また、カップリング剤としては、シランカップリング剤(TESPD)のジスルフィド基(−S−)を、テトラスルフィド基(−S−)に変更したシランカップリング剤(TESPT)であってもよいし、シランカップリング剤(TESPD)のアルキル基の鎖長を変更したものでもよいし、シランカップリング剤NXT又はNXT−Z等が採用されてもよい。 As the filler, for example, silica, carbon black, alumina, or the like is employed. FIG. 3 is a structural formula showing an example of a coupling agent. As a coupling agent of this embodiment, the case where it is a silane coupling agent (TESPD) is illustrated. As the coupling agent, silane coupling agent disulfide group (TESPD) - a tetrasulfide group (-S 2) - may be a silane coupling agent was changed to (TESPT) (-S 4) And what changed the chain length of the alkyl group of a silane coupling agent (TESPD) may be sufficient, and silane coupling agent NXT or NXT-Z etc. may be employ | adopted.

図4は、本実施形態のシミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。本実施形態のシミュレーション方法は、先ず、高分子材料の一部に対応する仮想空間であるセルが、コンピュータ1に定義される(工程S1)。図5は、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8が配置されたセル4の一例を示す概念図である。   FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of the simulation method of the present embodiment. In the simulation method of the present embodiment, first, a cell that is a virtual space corresponding to a part of a polymer material is defined in the computer 1 (step S1). FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of the cell 4 in which the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8 are arranged.

セル4は、少なくとも互いに向き合う一対の面5、5、本実施形態では、互いに向き合う三対の面5、5を有しており、直方体又は立方体(本実施形態では、立方体)として定義されている。各面5、5には、周期境界条件が定義されている。このようなセル4が用いられることにより、後述の粗視化分子動力学計算において、例えば、ポリマー(図2に示す)をモデル化した後述のポリマーモデル7について、一方側の面5aから出て行ったポリマーモデル7の一部が、他方側の面5bから入ってくるように計算することができる。従って、セル4は、一方側の面5aと、他方側の面5bとが連続している(繋がっている)ものとして取り扱うことができる。   The cell 4 has at least a pair of surfaces 5 and 5 that face each other, and in this embodiment, three pairs of surfaces 5 and 5 that face each other, and is defined as a rectangular parallelepiped or a cube (in this embodiment, a cube). . A periodic boundary condition is defined for each of the surfaces 5 and 5. By using such a cell 4, in the later-described coarse-grained molecular dynamics calculation, for example, a later-described polymer model 7 that models a polymer (shown in FIG. 2) comes out from the surface 5a on one side. It can be calculated that a part of the polymer model 7 performed enters from the surface 5b on the other side. Accordingly, the cell 4 can be handled as one in which the surface 5a on one side and the surface 5b on the other side are continuous (connected).

セル4の一辺の各長さL1は、適宜設定することができる。本実施形態の長さL1は、後述のポリマーモデル7の拡がりを示す量である慣性半径(図示省略)の3倍以上が望ましい。これにより、セル4は、後述の粗視化分子動力学計算において、周期境界条件による自己のイメージとの衝突の発生を防いで、ポリマーモデル7の空間的拡がりを適切に計算することができる。また、セル4の大きさは、例えば1気圧で安定な体積に設定される。これにより、セル4は、解析対象の高分子材料の少なくとも一部の体積を定義することができる。セル4は、コンピュータ1に記憶される。   Each length L1 of one side of the cell 4 can be set as appropriate. The length L1 of the present embodiment is desirably at least three times the radius of inertia (not shown), which is an amount indicating the extent of the polymer model 7 described later. Thereby, in the coarse-grained molecular dynamics calculation described later, the cell 4 can appropriately calculate the spatial spread of the polymer model 7 by preventing the collision with the self image due to the periodic boundary condition. The size of the cell 4 is set to a stable volume at 1 atmosphere, for example. Thereby, the cell 4 can define the volume of at least a part of the polymer material to be analyzed. The cell 4 is stored in the computer 1.

次に、本実施形態のシミュレーション方法は、セル4の内部に、フィラーをモデリングしたフィラーモデル6が定義される(工程S2)。本実施形態のフィラーモデル6は、セル4の内部で凝集した複数のフィラー粒子モデル11によって定義されている。本実施形態では、実際の高分子材料の電子線透過画像のフィラーの位置に基づいて、フィラー粒子モデル11が配置されている。これにより、フィラーモデル6は、実際のフィラーの形状を精度よく表現することができる。   Next, in the simulation method of the present embodiment, a filler model 6 in which a filler is modeled is defined inside the cell 4 (step S2). The filler model 6 of the present embodiment is defined by a plurality of filler particle models 11 aggregated inside the cell 4. In this embodiment, the filler particle model 11 is arranged based on the position of the filler in the electron beam transmission image of the actual polymer material. Thereby, the filler model 6 can accurately represent the shape of the actual filler.

図6は、フィラーモデル6のフィラー粒子モデル11の拡大図である。各フィラー粒子モデル11は、複数の小粒子12を含んで構成されている。フィラー粒子モデル11には、隣接する小粒子12、12間の相対位置を固定する拘束条件が定義されてもよいし、隣接する小粒子12、12間を拘束する結合鎖モデル(図示省略)が定義されても良い。これにより、フィラーモデル6は、後述の粗視化分子動力学計算において、フィラー粒子モデル11の形状が維持され、フィラーモデル6の形状をフィラーに近似させることができる。   FIG. 6 is an enlarged view of the filler particle model 11 of the filler model 6. Each filler particle model 11 includes a plurality of small particles 12. In the filler particle model 11, a constraint condition for fixing the relative position between the adjacent small particles 12, 12 may be defined, and a bond chain model (not shown) that constrains between the adjacent small particles 12, 12 may be defined. May be defined. Thereby, the filler model 6 maintains the shape of the filler particle model 11 in the coarse-grained molecular dynamics calculation described later, and can approximate the shape of the filler model 6 to the filler.

小粒子12、12間を拘束する結合鎖モデル(図示省略)は、例えば、論文( Kurt Kremer & Gary S. Grest 著、「Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation」、J. Chem Phys. vol.92, No.8, 15 April 1990、p5057-5086)に記載されているLJポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義することができる。また、ポテンシャルに定義される各定数については、上記論文に基づいて、適宜設定することができる。また、小粒子12は、粗視化分子動力学計算において、運動方程式の質点として取り扱われる。即ち、小粒子12には、質量、直径、電荷又は初期座標などのパラメータが定義される。   A bond chain model (not shown) that constrains between small particles 12 and 12 is described in, for example, a paper (Kurt Kremer & Gary S. Grest, “Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation”, J. Chem Phys vol.92, No.8, 15 April 1990, p5057-5086) can be defined as the sum of the LJ potential and the FENE potential. In addition, each constant defined in the potential can be appropriately set based on the above paper. The small particles 12 are treated as mass points of the equation of motion in the coarse-grained molecular dynamics calculation. That is, parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined for the small particles 12.

フィラー粒子モデル11の外面を構成する小粒子12には、例えば、官能基をモデル化した官能基モデル(図示省略)が設けられてもよい。これにより、後述の粗視化分子動力学計算、及び、高分子材料の変形計算において、官能基によって変化するフィラーとポリマーとの相互作用を考慮することができる。フィラーモデル6は、コンピュータ1に記憶される。   The small particles 12 constituting the outer surface of the filler particle model 11 may be provided with, for example, a functional group model (not shown) in which a functional group is modeled. Thereby, in the coarse-grained molecular dynamics calculation mentioned later and deformation | transformation calculation of a polymeric material, interaction with the filler and polymer which change with a functional group can be considered. The filler model 6 is stored in the computer 1.

次に、本実施形態のシミュレーション方法は、図5に示したセル4の内部に、ポリマーをモデリングしたポリマーモデル7が定義される(工程S3)。本実施形態では、セル4の内部において、フィラーモデル6が配置されてない領域に、少なくとも一つ(例えば、10個〜1,000,000個)のポリマーモデル7が配置される。これにより、工程S3では、フィラーモデル6との重なりを回避しながら、ポリマーモデル7を定義することができる。   Next, in the simulation method of the present embodiment, a polymer model 7 that models a polymer is defined inside the cell 4 shown in FIG. 5 (step S3). In the present embodiment, at least one (for example, 10 to 1,000,000) polymer models 7 are arranged in a region where no filler model 6 is arranged inside the cell 4. Thereby, in process S3, polymer model 7 can be defined, avoiding overlap with filler model 6.

図7は、ポリマーモデル7の一例を示す概念図である。本実施形態のポリマーモデル7は、ポリマーの分子構造を、複数の粗視化粒子15でモデリングしたものである。隣接する粗視化粒子15、15の間には、結合鎖モデル16で連結されている。   FIG. 7 is a conceptual diagram showing an example of the polymer model 7. The polymer model 7 of this embodiment is obtained by modeling the molecular structure of a polymer with a plurality of coarse-grained particles 15. The adjacent coarse-grained particles 15 and 15 are connected by a bond chain model 16.

粗視化粒子15は、ポリマーのモノマー又はモノマーの一部分をなす構造単位を置換したものである。ポリマーがポリイソプレンである場合には、上記論文に基づいて、例えば1.73個分のモノマー3(図2に示す)を構造単位として、1個の粗視化粒子15に置換される。これにより、各ポリマーモデル7には、複数(例えば、10〜5000個)の粗視化粒子15が設定される。   The coarse-grained particle 15 is obtained by substituting a structural monomer constituting a polymer monomer or a part of the monomer. When the polymer is polyisoprene, based on the above paper, for example, 1.73 monomers 3 (shown in FIG. 2) are used as the structural unit and replaced with one coarse-grained particle 15. Thereby, a plurality of (for example, 10 to 5000) coarse-grained particles 15 are set in each polymer model 7.

粗視化粒子15は、粗視化分子動力学計算において、運動方程式の質点として取り扱われる。即ち、粗視化粒子15には、例えば、質量、直径、電荷又は初期座標などのパラメータが定義される。   The coarse-grained particle 15 is handled as a mass point of the equation of motion in the coarse-grained molecular dynamics calculation. That is, parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined for the coarse-grained particles 15.

図8は、フィラーモデル6、ポリマーモデル7及びカップリング剤モデル8のポテンシャルの一例を説明する概念図である。結合鎖モデル16は、粗視化粒子15、15間に、伸びきり長が設定されたポテンシャルP1によって定義される。ポテンシャルP1については、適宜定義することができる。ポテンシャルP1には、例えば、従来と同様に、LJポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義することができる。ポテンシャルに定義される各定数については、上記論文に基づいて、適宜設定することができる。これにより、粗視化粒子15が伸縮自在に拘束された直鎖状のポリマーモデル7を定義することができる。ポリマーモデル7は、コンピュータ1に記憶される。   FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating an example of potentials of the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8. The bond chain model 16 is defined by a potential P1 in which a full length is set between the coarse-grained particles 15 and 15. The potential P1 can be defined as appropriate. For example, the potential P1 can be defined by the sum of the LJ potential and the FENE potential as in the conventional case. Each constant defined in the potential can be appropriately set based on the above paper. As a result, the linear polymer model 7 in which the coarse-grained particles 15 are constrained to be stretchable can be defined. The polymer model 7 is stored in the computer 1.

次に、本実施形態のシミュレーション方法は、図5に示したセル4の内部に、カップリング剤をモデリングしたカップリング剤モデル8が定義される(工程S4)。本実施形態では、セル4の内部において、フィラーモデル6及びポリマーモデル7が配置されてない領域に、少なくとも一つ(例えば、10個〜1000個)のカップリング剤モデル8が配置される。これにより、工程S4では、フィラーモデル6及びポリマーモデル7との重なりを回避しながら、カップリング剤モデル8を定義することができる。   Next, in the simulation method of the present embodiment, a coupling agent model 8 in which a coupling agent is modeled is defined inside the cell 4 shown in FIG. 5 (step S4). In the present embodiment, at least one (for example, 10 to 1000) coupling agent models 8 are arranged in a region where the filler model 6 and the polymer model 7 are not arranged in the cell 4. Thereby, in process S4, coupling agent model 8 can be defined, avoiding overlap with filler model 6 and polymer model 7.

カップリング剤モデル8は、図8に示されるように、カップリング剤の分子構造(図3に示す)を、複数の粗視化粒子19でモデリングしたものである。隣接する粗視化粒子19、19の間には、結合鎖モデル20で連結されている。   As illustrated in FIG. 8, the coupling agent model 8 is obtained by modeling the molecular structure of the coupling agent (shown in FIG. 3) with a plurality of coarse-grained particles 19. The adjacent coarse-grained particles 19 are connected by a bond chain model 20.

粗視化粒子19は、カップリング剤の構造単位を置換したものである。本実施形態の粗視化粒子19は、各々が30〜550の分子量を有している。ここで、粗視化粒子19の分子量を30〜550としたのは、ポリマーの分子構造のモデリングに用いられる一般的な粗視化粒子15が、30〜550程度の分子量を有していることに基づいている。   The coarse-grained particles 19 are obtained by replacing the structural unit of the coupling agent. Each of the coarse-grained particles 19 of the present embodiment has a molecular weight of 30 to 550. Here, the molecular weight of the coarse-grained particles 19 is set to 30 to 550 because the general coarse-grained particles 15 used for modeling the molecular structure of the polymer have a molecular weight of about 30 to 550. Based on.

小さな分子量を有する粗視化粒子15でモデリングされるポリマーとしては、ポリエチレン(図示省略)やポリイソプレン(図2に示す)が例示される。ポリエチレンをモデルリングしたポリマーモデル7の粗視化粒子15は、上記論文の「TABLE III」の「Equivalent mol. mass」に記載されるように、38.6の分子量を有している。ポリイソプレンの粗視化粒子15は、117の分子量を有している。他方、大きな分子量を有する粗視化粒子15でモデリングされるポリマーとしては、ポリスチレン(図示省略)が例示される。この粗視化粒子15は、上記論文に記載されるように、515の分子量を有している。従って、カップリング剤の分子構造を、各々が30〜550の分子量を有する複数の粗視化粒子19でモデリングされることにより、カップリング剤の粗視化粒子19の分子量と、ポリマーモデル7の粗視化粒子15の分子量とを近似させることができる。   Examples of the polymer modeled by the coarse-grained particles 15 having a small molecular weight include polyethylene (not shown) and polyisoprene (shown in FIG. 2). The coarse-grained particle 15 of the polymer model 7 obtained by modeling polyethylene has a molecular weight of 38.6 as described in “Equivalent mol. Mass” of “TABLE III” in the above paper. The coarse-grained particles 15 of polyisoprene have a molecular weight of 117. On the other hand, polystyrene (not shown) is exemplified as the polymer modeled by the coarse-grained particles 15 having a large molecular weight. The coarse-grained particles 15 have a molecular weight of 515 as described in the above paper. Accordingly, the molecular structure of the coupling agent is modeled with a plurality of coarse-grained particles 19 each having a molecular weight of 30 to 550, so that the molecular weight of the coarse-grained particles 19 of the coupling agent and the polymer model 7 The molecular weight of the coarse-grained particles 15 can be approximated.

このように、本実施形態のシミュレーション方法では、上記のような明確な基準に基づいて、カップリング剤の分子構造をモデリングできるため、カップリング剤の粗視化粒子19の分子量がオペレータによってバラつくのを防ぐことができる。従って、本実施形態では、安定したシミュレーション結果を得ることができる。   As described above, in the simulation method of the present embodiment, the molecular structure of the coupling agent can be modeled based on the above-described clear criteria. Therefore, the molecular weight of the coarse-grained particles 19 of the coupling agent varies depending on the operator. Can be prevented. Therefore, in this embodiment, a stable simulation result can be obtained.

さらに、本実施形態のシミュレーション方法では、カップリング剤の粗視化粒子19の分子量と、ポリマーの粗視化粒子15の分子量とを確実に近似させることができる。これにより、後述の粗視化分子動力学計算、及び、高分子材料の変形計算において、粗視化粒子あたりの運動、及び、粗視化粒子あたりの運動エネルギーを高い精度で表現できるため、シミュレーション精度を向上させることができる。なお、カップリング剤の粗視化粒子19の分子量が30未満、又は、550を超えると、カップリング剤の粗視化粒子19のサイズと、ポリマーの粗視化粒子15のサイズとが乖離するため、上記作用を発揮することが困難になる。   Further, in the simulation method of the present embodiment, the molecular weight of the coarse-grained particles 19 of the coupling agent and the molecular weight of the coarse-grained particles 15 of the polymer can be reliably approximated. This makes it possible to express the motion per coarse-grained particle and the kinetic energy per coarse-grained particle with high accuracy in the later-described coarse-grained molecular dynamics calculation and deformation calculation of the polymer material. Accuracy can be improved. When the molecular weight of the coarse-grained particles 19 of the coupling agent is less than 30 or exceeds 550, the size of the coarse-grained particles 19 of the coupling agent and the size of the coarse-grained particles 15 of the polymer are different. For this reason, it becomes difficult to exert the above-described action.

なお、カップリング剤の粗視化粒子19の分子量については、30〜550であれば、適宜設定することができる。上記作用を効果的に発揮させるために、カップリング剤の粗視化粒子19の分子量は、ポリマーの粗視化粒子15の分子量と同一に設定されるのが望ましい。これにより、カップリング剤の粗視化粒子19のサイズと、ポリマーの粗視化粒子15のサイズとを等しくできるため、より安定したシミュレーション結果を得ることができる。   In addition, about the molecular weight of the coarse-grained particle 19 of a coupling agent, if it is 30-550, it can set suitably. In order to effectively exhibit the above action, the molecular weight of the coarse-grained particles 19 of the coupling agent is desirably set to be the same as the molecular weight of the coarse-grained particles 15 of the polymer. Thereby, since the size of the coarse-grained particles 19 of the coupling agent and the size of the coarse-grained particles 15 of the polymer can be made equal, a more stable simulation result can be obtained.

本実施形態の粗視化粒子19は、後述の粗視化分子動力学計算において、運動方程式の質点として取り扱われる。即ち、粗視化粒子19には、例えば、質量、直径、電荷、又は、初期座標などのパラメータが定義される。   The coarse-grained particles 19 of this embodiment are handled as mass points of the equation of motion in the coarse-grained molecular dynamics calculation described later. That is, parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined for the coarse grained particles 19.

結合鎖モデル20は、粗視化粒子19、19間に伸びきり長が設定されたポテンシャルP2によって定義される。ポテンシャルP2については、適宜定義することができる。ポテンシャルP2には、例えば、従来と同様に、LJポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義することができる。ポテンシャルに定義される各定数については、上記論文に基づいて、適宜設定することができる。これにより、粗視化粒子19が伸縮自在に拘束された直鎖状のカップリング剤モデル8を定義することができる。カップリング剤モデル8は、コンピュータ1に記憶される。   The bond chain model 20 is defined by a potential P2 in which a full length is set between the coarse-grained particles 19 and 19. The potential P2 can be defined as appropriate. For example, the potential P2 can be defined by the sum of the LJ potential and the FENE potential, as in the conventional case. Each constant defined in the potential can be appropriately set based on the above paper. Thereby, the linear coupling agent model 8 in which the coarse-grained particles 19 are constrained to be stretchable can be defined. The coupling agent model 8 is stored in the computer 1.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、隣接するフィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8に、ポテンシャルが定義される(工程S5)。本実施形態の工程S5では、図8に示されるように、フィラーモデル6の小粒子12、ポリマーモデル7の粗視化粒子15、又は、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19に、下記のポテンシャルP3〜P8が定義される。
ポテンシャルP3:フィラーモデル6の小粒子12と
フィラーモデル6の小粒子12との間
ポテンシャルP4:ポリマーモデル7の粗視化粒子15と
ポリマーモデル7の粗視化粒子15との間
ポテンシャルP5:カップリング剤モデル8の粗視化粒子19と
カップリング剤モデル8の粗視化粒子19との間
ポテンシャルP6:フィラーモデル6の小粒子12と
ポリマーモデル7の粗視化粒子15との間
ポテンシャルP7:フィラーモデル6の小粒子12と
カップリング剤モデル8の粗視化粒子19との間
ポテンシャルP8:ポリマーモデル7の粗視化粒子15と
カップリング剤モデル8の粗視化粒子19との間
Next, in the simulation method of the present embodiment, potentials are defined in the adjacent filler model 6, polymer model 7, and coupling agent model 8 (step S5). In step S5 of the present embodiment, as shown in FIG. 8, the small particles 12 of the filler model 6, the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7, or the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8 are Potentials P3 to P8 are defined.
Potential P3: small particle 12 of filler model 6 and
Between the small particles 12 of the filler model 6 and the potential P4: the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7
Between the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7 Potential P5: Coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8
Between the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8 Potential P6: the small particles 12 of the filler model 6
Between the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7 Potential P7: the small particles 12 of the filler model 6 and
Between the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8 Potential P8: The coarse-grained particles 15 of the polymer model 7 and
Between the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8

上記ポテンシャルP3〜P8は、従来と同様に、LJポテンシャルで定義することができる。ポテンシャルP3〜P8の各定数については、上記論文に基づいて、適宜設定することができる。これらのポテンシャルP3〜P8は、コンピュータ1に記憶される。   The potentials P3 to P8 can be defined by the LJ potential as in the conventional case. Each constant of the potentials P3 to P8 can be appropriately set based on the above paper. These potentials P3 to P8 are stored in the computer 1.

次に、本実施形態のシミュレーション方法は、コンピュータ1が、粗視化分子動力学計算に基づいて、図5に示したセル4の構造緩和を計算する(工程S6)。本実施形態の粗視化分子動力学計算では、例えば、セル4について所定の時間、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8が古典力学に従うものとして、ニュートンの運動方程式が適用される。そして、各時刻でのフィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8の動きが、シミュレーションの単位時間ごとに追跡される。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 calculates the structural relaxation of the cell 4 shown in FIG. 5 based on the coarse-grained molecular dynamics calculation (step S6). In the coarse-grained molecular dynamics calculation of the present embodiment, for example, Newton's equation of motion is applied on the assumption that the cell 4 has a predetermined time, the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8 follow classical mechanics. Is done. Then, the movement of the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8 at each time is tracked for each unit time of the simulation.

本実施形態の構造緩和の計算は、セル4において、圧力及び温度が一定、又は、体積及び温度が一定に保たれる。これにより、工程S6では、実際の高分子材料の分子運動に近似させて、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8の初期配置を精度よく緩和することができる。このような構造緩和の計算は、例えば(株)JSOL社製のソフトマテリアル総合シミュレーター(J−OCTA)に含まれるCOGNAC、又は、VSOPを用いて処理することができる。   In the calculation of the structure relaxation of this embodiment, in the cell 4, the pressure and temperature are constant, or the volume and temperature are kept constant. Thereby, in step S6, the initial arrangement of the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8 can be relaxed with high accuracy by approximating the molecular motion of the actual polymer material. Such calculation of structural relaxation can be processed using COGNAC or VSOP included in a soft material general simulator (J-OCTA) manufactured by JSOL Corporation.

工程S6では、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8の初期配置が十分に緩和できるまで計算される。これにより、工程S6では、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8の平衡状態(構造が緩和した状態)を、確実に計算することができる。   In step S6, calculation is performed until the initial arrangement of the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8 can be sufficiently relaxed. Thereby, in process S6, the equilibrium state (state where the structure was relaxed) of filler model 6, polymer model 7, and coupling agent model 8 can be calculated reliably.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、カップリング剤モデル8を介して、フィラーモデル6とポリマーモデル7とを連結する(工程S7)。図9(a)、(b)は、フィラーモデル6とポリマーモデル7とを連結したカップリング剤モデル8の一例を示す概念図である。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 connects the filler model 6 and the polymer model 7 via the coupling agent model 8 (step S7). FIGS. 9A and 9B are conceptual diagrams showing an example of a coupling agent model 8 in which a filler model 6 and a polymer model 7 are connected.

本実施形態の工程S7では、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19を中心とする領域22内に配置されているフィラーモデル6の小粒子12と、ポリマーモデル7の粗視化粒子15とを連結している。領域22の半径rについては、カップリング剤の物性等に応じて、適宜設定することができる。   In step S7 of this embodiment, the small particles 12 of the filler model 6 and the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7 disposed in the region 22 centering on the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8 Are connected. About the radius r of the area | region 22, it can set suitably according to the physical property etc. of a coupling agent.

本実施形態の工程S7では、先ず、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19について、粗視化粒子19を中心とする領域22内に、フィラーモデル6の小粒子12、又は、ポリマーモデル7の粗視化粒子15が存在するか否かが判断される。そして、フィラーモデル6の小粒子12、又は、ポリマーモデル7の粗視化粒子15が領域22内に配されている場合、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19から最も近いフィラーモデル6の小粒子12、又は、ポリマーモデル7の粗視化粒子15と、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19とを連結させている。   In step S7 of the present embodiment, first, with respect to the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8, the small particles 12 of the filler model 6 or the polymer model 7 in the region 22 centering on the coarse-grained particles 19 are used. Whether or not coarse-grained particles 15 are present is determined. When the small particles 12 of the filler model 6 or the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7 are arranged in the region 22, the filler model 6 closest to the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8 is used. The small particles 12 or the coarse-grained particles 15 of the polymer model 7 and the coarse-grained particles 19 of the coupling agent model 8 are connected.

図9(a)に示されるように、カップリング剤モデル8が一つの粗視化粒子19で構成されている場合、その粗視化粒子19に、フィラーモデル6の小粒子12、及び、ポリマーモデル7の粗視化粒子15の双方を連結させている。   As shown in FIG. 9A, when the coupling agent model 8 is composed of one coarse-grained particle 19, the coarse-grained particle 19 includes small particles 12 of the filler model 6 and a polymer. Both coarse-grained particles 15 of the model 7 are connected.

図9(b)に示されるように、カップリング剤モデル8が複数の粗視化粒子19で構成されている場合、カップリング剤モデル8の両端の粗視化粒子19t、19tのうち、一方の粗視化粒子19tにフィラーモデル6の小粒子12を連結させ、他方の粗視化粒子19tにポリマーモデル7の粗視化粒子15を連結させている。   As shown in FIG. 9B, when the coupling agent model 8 includes a plurality of coarse-grained particles 19, one of the coarse-grained particles 19t and 19t at both ends of the coupling agent model 8 is used. The coarse particles 19t are connected to the small particles 12 of the filler model 6, and the coarse particles 15t of the polymer model 7 are connected to the other coarse particles 19t.

本実施形態の工程S7では、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19とフィラーモデル6の小粒子12との間、及び、カップリング剤モデル8の粗視化粒子19とポリマーモデル7の粗視化粒子15との間を、結合鎖モデル21を介して連結されている。結合鎖モデル21は、伸びきり長が設定されたポテンシャルP9によって定義される。ポテンシャルP9については、適宜定義することができる。ポテンシャルP9には、例えば、従来と同様に、LJポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義することができる。   In step S7 of this embodiment, the coarsening particles 19 of the coupling agent model 8 and the small particles 12 of the filler model 6 and between the coarsening particles 19 of the coupling agent model 8 and the polymer model 7 are coarse. The visualization particles 15 are connected via a bond chain model 21. The bond chain model 21 is defined by a potential P9 in which a full length is set. The potential P9 can be defined as appropriate. The potential P9 can be defined by the sum of the LJ potential and the FENE potential, for example, as in the conventional case.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、隣接するポリマーモデル7を連結する架橋モデル17が定義される(工程S8)。図10は、架橋モデル17で連結された一対のポリマーモデル7の一例を示す図である。   Next, in the simulation method of the present embodiment, a cross-linking model 17 that connects adjacent polymer models 7 is defined (step S8). FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a pair of polymer models 7 connected by a crosslinking model 17.

架橋モデル17は、ポリマーモデル7の粗視化粒子15、15間を連結するためのものである。架橋モデル17は、予め定められた架橋点に基づいて設定される。架橋モデル17には、伸びきり長が設定されたポテンシャルP10が定義される。ポテンシャルP10には、例えば、従来と同様に、LJポテンシャルとFENEポテンシャルとの和で定義することができる。   The cross-linking model 17 is for connecting the coarse-grained particles 15 and 15 of the polymer model 7. The bridge model 17 is set based on a predetermined bridge point. In the bridging model 17, a potential P <b> 10 with a full length set is defined. The potential P10 can be defined by the sum of the LJ potential and the FENE potential, for example, as in the prior art.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、粗視化分子動力学計算に基づいて、セル4の構造緩和を再計算する(工程S9)。構造緩和の計算は、工程S6と同一の処理手順で実施され、カップリング剤モデル8を介して連結されたフィラーモデル6及びポリマーモデル7、並びに、架橋モデル17で連結されたポリマーモデル7が十分に緩和できるまで計算される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法では、カップリング反応後、かつ、架橋された高分子材料を再現した高分子材料モデル10を定義することができる。高分子材料モデル10は、コンピュータ1に記憶される。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 recalculates the structural relaxation of the cell 4 based on the coarse-grained molecular dynamics calculation (step S9). The calculation of the structure relaxation is performed in the same processing procedure as in step S6, and the filler model 6 and the polymer model 7 connected via the coupling agent model 8 and the polymer model 7 connected by the cross-linking model 17 are sufficient. It is calculated until it can be relaxed. Thereby, in the simulation method of the present embodiment, the polymer material model 10 that reproduces the crosslinked polymer material after the coupling reaction can be defined. The polymer material model 10 is stored in the computer 1.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、高分子材料モデル10の変形計算を行う(工程S10)。高分子材料モデル10の変形計算は、例えば、特開2016−081297号公報に記載された内容の手順に従って、高分子材料モデル10の一端(図5に示したセル4の一方側の面5a)、及び、高分子材料モデル10の他端(図5に示したセル4の他方側の面5b)が互いに離間するように、高分子材料モデル10の伸長が計算される。本例では、z軸方向において、高分子材料モデル10の一端及び他端を離間させて、高分子材料モデル10の伸長が計算されている。   Next, in the simulation method of this embodiment, the computer 1 performs deformation calculation of the polymer material model 10 (step S10). The deformation calculation of the polymer material model 10 is performed, for example, in accordance with a procedure described in JP-A-2006-081297, one end of the polymer material model 10 (one surface 5a of the cell 4 shown in FIG. 5). The elongation of the polymer material model 10 is calculated so that the other ends of the polymer material model 10 (the other surface 5b of the cell 4 shown in FIG. 5) are separated from each other. In this example, the elongation of the polymer material model 10 is calculated by separating one end and the other end of the polymer material model 10 in the z-axis direction.

図11(a)は、変形計算前の高分子材料モデル10の一部を示す概念図である。図11(b)は、変形計算後の高分子材料モデル10の一部を示す概念図である。図11(a)及び図11(b)において、セル4の内部には、例えば、立方体状に区分された複数の小領域25が定義されている。高分子材料モデル10の変形計算前において、各小領域25には、上述した構造緩和計算により、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8の何れかが配置されている。   FIG. 11A is a conceptual diagram showing a part of the polymer material model 10 before the deformation calculation. FIG. 11B is a conceptual diagram showing a part of the polymer material model 10 after deformation calculation. In FIG. 11A and FIG. 11B, a plurality of small regions 25 partitioned into, for example, a cube are defined inside the cell 4. Before the deformation calculation of the polymer material model 10, any one of the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8 is arranged in each small region 25 by the above-described structural relaxation calculation.

工程S10では、高分子材料モデル10の伸長計算により、フィラーモデル6、ポリマーモデル7及びカップリング剤モデル8の熱運動が計算される。このような熱運動は、高分子材料モデル10に与えられた歪み、図8〜図10に示した上記ポテンシャルP1〜P10、及び、運動方程式に基づいて計算される。これにより、セル4には、フィラーモデル6、ポリマーモデル7、及び、カップリング剤モデル8が配置されない小領域25が形成される。このような小領域25は、高分子材料モデル10に形成された空孔(ボイド)26として定義される。このような空孔26により、高分子材料モデル10の破壊が再現される。   In step S <b> 10, the thermal motion of the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8 is calculated by the elongation calculation of the polymer material model 10. Such thermal motion is calculated based on the strain applied to the polymer material model 10, the potentials P1 to P10 shown in FIGS. 8 to 10 and the equation of motion. As a result, a small region 25 in which the filler model 6, the polymer model 7, and the coupling agent model 8 are not arranged is formed in the cell 4. Such a small region 25 is defined as a void 26 formed in the polymer material model 10. Such voids 26 reproduce the destruction of the polymer material model 10.

上述したように、本実施形態のシミュレーション方法では、カップリング剤の分子構造を、各々が30〜550の分子量を有する複数の粗視化粒子19でモデリングしているため、カップリング剤の粗視化粒子19の分子量と、ポリマーの粗視化粒子15の分子量とを近似させることができる。これにより、粗視化粒子あたりの運動、及び、粗視化粒子あたりの運動エネルギーを高い精度で表現できるため、高分子材料モデル10の破壊を、適切に再現することができる。   As described above, in the simulation method of the present embodiment, the molecular structure of the coupling agent is modeled by the plurality of coarse-grained particles 19 each having a molecular weight of 30 to 550. The molecular weight of the polymerized particles 19 and the molecular weight of the polymer coarse-grained particles 15 can be approximated. Thereby, since the motion per coarse-grained particle and the kinetic energy per coarse-grained particle can be expressed with high accuracy, the destruction of the polymer material model 10 can be appropriately reproduced.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、セル4に形成された空孔26の大きさを計算する(工程S11)。工程S11では、セル4に形成された全ての空孔26の合計体積が計算される。空孔26の合計体積は、コンピュータ1に記憶される。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 calculates the size of the holes 26 formed in the cell 4 (step S11). In step S11, the total volume of all the holes 26 formed in the cell 4 is calculated. The total volume of the holes 26 is stored in the computer 1.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、セル4に形成された空孔26の大きさに基づいて、高分子材料の破壊を評価する(工程S12)。本実施形態の工程S12では、セル4に形成された空孔26の大きさが、予め定められた閾値よりも小さい場合、高分子材料モデル10の耐破壊性、及び、耐摩耗性が優れていると評価している。閾値については、高分子材料に求められる耐破壊性及び耐摩耗性に応じて、適宜設定される。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 evaluates the destruction of the polymer material based on the size of the holes 26 formed in the cell 4 (step S12). In step S12 of the present embodiment, when the size of the pores 26 formed in the cell 4 is smaller than a predetermined threshold value, the polymer material model 10 has excellent fracture resistance and wear resistance. It is evaluated that there is. About a threshold value, it sets suitably according to the fracture resistance and abrasion resistance calculated | required by polymeric material.

工程S12において、空孔26の大きさが閾値よりも小さい場合(工程S12において、「Y」)、高分子材料モデル10が、所望の耐破壊性及び耐摩耗性を有していると評価することができる。このため、本実施形態のシミュレーション方法では、高分子材料モデル10に設定された諸条件に基づいて、高分子材料が製造される(工程S13)。他方、工程S12において、空孔26の大きさが閾値以上である場合(工程S12において、「N」)、高分子材料モデル10が所望の耐破壊性及び耐摩耗性を有していないと評価することができる。このため、本実施形態のシミュレーション方法では、高分子材料の諸条件(例えば、カップリング剤の分子構造)が変更され(工程S14)、工程S1〜工程S12が再度実施される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法は、耐破壊性、及び、耐摩耗性に優れる高分子材料を製造することができる。   In Step S12, when the size of the hole 26 is smaller than the threshold (“Y” in Step S12), the polymer material model 10 is evaluated as having the desired fracture resistance and wear resistance. be able to. For this reason, in the simulation method of the present embodiment, a polymer material is manufactured based on various conditions set in the polymer material model 10 (step S13). On the other hand, when the size of the hole 26 is equal to or larger than the threshold value in the step S12 (“N” in the step S12), it is evaluated that the polymer material model 10 does not have the desired fracture resistance and wear resistance. can do. For this reason, in the simulation method of the present embodiment, various conditions of the polymer material (for example, the molecular structure of the coupling agent) are changed (step S14), and steps S1 to S12 are performed again. Thereby, the simulation method of this embodiment can manufacture the polymeric material which is excellent in destruction resistance and abrasion resistance.

以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。   As mentioned above, although especially preferable embodiment of this invention was explained in full detail, this invention is not limited to embodiment of illustration, It can deform | transform and implement in a various aspect.

図4に示した処理手順に従って、ポリマーと、フィラーと、カップリング剤とを含む高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーションが実施された(実施例、比較例1)。   According to the processing procedure shown in FIG. 4, a coarse-grained molecular dynamics simulation of a polymer material containing a polymer, a filler, and a coupling agent was performed (Example, Comparative Example 1).

実施例では、分子量が500の第1カップリング剤の分子構造を、500の分子量を有する粗視化粒子でモデリングした第1カップリング剤モデルが定義された。さらに、実施例では、分子量が1000の第2カップリング剤の分子構造を、500の分子量を有する粗視化粒子でモデリングした第2カップリング剤モデルが定義された。   In the examples, a first coupling agent model was defined in which the molecular structure of a first coupling agent having a molecular weight of 500 was modeled with coarse-grained particles having a molecular weight of 500. Furthermore, in the Examples, a second coupling agent model was defined in which the molecular structure of a second coupling agent having a molecular weight of 1000 was modeled with coarse-grained particles having a molecular weight of 500.

次に、高分子材料の一部に対応する仮想空間であるセルの内部に、ポリマーモデル、フィラーモデル、及び、第1カップリング剤モデルが配置された第1高分子材料モデルが定義された。さらに、セルの内部に、ポリマーモデル、フィラーモデル、及び、第2カップリング剤モデルが配置された第2高分子材料モデルが定義された。そして、第1高分子材料モデル、及び、第2高分子材料モデルの変形計算がそれぞれ実施され、高分子材料の破壊(耐摩耗性)が評価された。耐摩耗性の評価は、第1高分子材料を100とする指数で表示している。数値が大きいほど、耐摩耗性に優れている。   Next, a first polymer material model in which a polymer model, a filler model, and a first coupling agent model are arranged inside a cell that is a virtual space corresponding to a part of the polymer material was defined. Furthermore, a second polymer material model in which a polymer model, a filler model, and a second coupling agent model are arranged inside the cell was defined. And the deformation calculation of the 1st polymer material model and the 2nd polymer material model was implemented, respectively, and destruction (wear resistance) of the polymer material was evaluated. The evaluation of wear resistance is indicated by an index with the first polymer material as 100. The larger the value, the better the wear resistance.

比較例1では、分子量が500の第1カップリング剤の分子構造を、50の分子量を有する粗視化粒子でモデリングした第1カップリング剤モデルが定義された。さらに、比較例1では、分子量が1000の第2カップリング剤の分子構造を、50の分子量を有する粗視化粒子でモデリングした第2カップリング剤モデルが定義された。次に、高分子材料の一部に対応する仮想空間であるセルの内部に、ポリマーモデル、フィラーモデル、及び、第1カップリング剤モデルが配置された第1高分子材料モデルと、ポリマーモデル、フィラーモデル、及び、第2カップリング剤モデルが配置された第2高分子材料モデルとが定義された。そして、第1高分子材料モデル、及び、第2高分子材料モデルの変形計算がそれぞれ実施され、高分子材料の破壊(耐摩耗性)が評価された。耐摩耗性の評価は、第1高分子材料を100とする指数で表示している。数値が大きいほど、耐摩耗性に優れている。   In Comparative Example 1, a first coupling agent model was defined in which the molecular structure of the first coupling agent having a molecular weight of 500 was modeled with coarse-grained particles having a molecular weight of 50. Further, in Comparative Example 1, a second coupling agent model was defined in which the molecular structure of the second coupling agent having a molecular weight of 1000 was modeled with coarse-grained particles having a molecular weight of 50. Next, a first polymer material model in which a polymer model, a filler model, and a first coupling agent model are arranged inside a cell that is a virtual space corresponding to a part of the polymer material, a polymer model, A filler model and a second polymer material model in which a second coupling agent model is arranged are defined. And the deformation calculation of the 1st polymer material model and the 2nd polymer material model was implemented, respectively, and destruction (wear resistance) of the polymer material was evaluated. The evaluation of wear resistance is indicated by an index with the first polymer material as 100. The larger the value, the better the wear resistance.

比較のために、ポリマーと、フィラーと、カップリング剤とを含む高分子材料の全原子分子動力学シミュレーションが実施された(比較例2)。比較例2では、第1カップリング剤の全原子モデルと、第2カップリング剤の全原子モデルとが定義された。次に、セルの内部に、ポリマーの全原子モデル、フィラーの全原子モデル、及び、第1カップリング剤の全原子モデルが配置された第1高分子材料モデルと、ポリマーの全原子モデル、フィラーの全原子モデル、及び、第2カップリング剤の全原子モデルが配置された第2高分子材料モデルとが定義された。そして、第1高分子材料モデル、及び、第2高分子材料モデルの変形計算がそれぞれ実施され、高分子材料の破壊(耐摩耗性)が評価された。耐摩耗性の評価は、第1高分子材料を100とする指数で表示している。数値が大きいほど、耐摩耗性に優れている。   For comparison, an all-atom molecular dynamics simulation of a polymer material including a polymer, a filler, and a coupling agent was performed (Comparative Example 2). In Comparative Example 2, the all-atom model of the first coupling agent and the all-atom model of the second coupling agent were defined. Next, a first polymer material model in which a polymer all-atom model, a filler all-atom model, and a first coupling agent all-atom model are arranged inside the cell, and a polymer all-atom model, filler And a second polymer material model in which all atom models of the second coupling agent are arranged. And the deformation calculation of the 1st polymer material model and the 2nd polymer material model was implemented, respectively, and destruction (wear resistance) of the polymer material was evaluated. The evaluation of wear resistance is indicated by an index with the first polymer material as 100. The larger the value, the better the wear resistance.

実施例、比較例1及び比較例2のシミュレーション精度を確認するために、第1カップリング剤が配合された第1ゴムと、第2カップリング剤が配合された第2ゴムとが製造された。そして、LAT試験機(Laboratory Abrasion and Skid Tester)を用いて、第1ゴム及び第2ゴムの容積損失量を測定し、その逆数が求められた。結果は、実施例の第1ゴムの容積損失量を100とする指数であり、数値が大きいほど、耐摩耗性に優れている。共通仕様は、次のとおりである。
ポリマー:ポリスチレン
フィラー:二酸化ケイ素
第1カップリング剤:シランカップリング剤(TESPD)
第2カップリング剤:シランカップリング剤(TESPD)のアルキル基を、
分子量が2倍程度となるように変更したもの
フィラーモデル:
フィラー粒子モデルの個数:15
体積分率:0.18
ポリマーモデル:
1つのポリマーモデルを構成する粗視化粒子の個数:1000
ポリマーモデルの個数:1000
カップリング剤モデル:
カップリング剤モデルの個数:2500
架橋モデル:
架橋モデルの個数:10000
全原子分子動力学シミュレーション:
力場:GAFF
温度:ランジュバン熱浴を使用して温度を調整
コンピュータのCPU:intel社製のXeon(登録商標) 2.26GHz(24コア)
テスト結果を、表1に示す。
In order to confirm the simulation accuracy of Examples, Comparative Examples 1 and 2, a first rubber compounded with a first coupling agent and a second rubber compounded with a second coupling agent were produced. . And the volume loss amount of the 1st rubber | gum and the 2nd rubber | gum was measured using the LAT tester (Laboratory Abrasion and Skid Tester), and the reciprocal number was calculated | required. The result is an index with the volume loss amount of the first rubber of the example as 100, and the larger the value, the better the wear resistance. The common specifications are as follows.
Polymer: Polystyrene Filler: Silicon dioxide First coupling agent: Silane coupling agent (TESPD)
Second coupling agent: alkyl group of silane coupling agent (TESPD),
Modified so that the molecular weight is about 2 times. Filler model:
Number of filler particle models: 15
Volume fraction: 0.18
Polymer model:
Number of coarse-grained particles constituting one polymer model: 1000
Number of polymer models: 1000
Coupling agent model:
Number of coupling agent models: 2500
Cross-linking model:
Number of cross-linking models: 10,000
All-atom molecular dynamics simulation:
Force field: GAFF
Temperature: Adjust temperature using Langevin heat bath Computer CPU: Xeon (registered trademark) 2.26 GHz (24 cores) manufactured by intel
The test results are shown in Table 1.

Figure 0006458097
Figure 0006458097

テストの結果、実施例の第1高分子材料モデルに対する第2高分子材料モデルの耐摩耗性の向上分が、実験例の第1タイヤに対する第2タイヤの耐摩耗性の向上分に近似した。他方、比較例の第1高分子材料モデルに対する第2高分子材料モデルの耐摩耗性の向上分は、実験例の第1タイヤに対する第2タイヤの耐摩耗性の向上分に近似しなかった。従って、実施例は、比較例に比べて、安定した精度の高いシミュレーションを実施することができた。しかも、実施例は、試作したタイヤを実際に走行させる実験例に比べて、安全かつ低コストで、高分子材料の耐摩耗性を評価することができた。   As a result of the test, the improvement in wear resistance of the second polymer material model relative to the first polymer material model of the example approximated the increase in wear resistance of the second tire relative to the first tire of the experimental example. On the other hand, the improvement in wear resistance of the second polymer material model relative to the first polymer material model in the comparative example did not approximate the increase in wear resistance of the second tire relative to the first tire in the experimental example. Therefore, the example was able to carry out a stable and highly accurate simulation as compared with the comparative example. In addition, the example was able to evaluate the wear resistance of the polymer material safely and at a lower cost than the experimental example in which the prototype tire was actually run.

比較例2は、計算負荷の大きい全原子分子動力学シミュレーションを実施したため、10000時間が経過しても、計算を終了できなかった。従って、実施例は、安定した精度の高いシミュレーションを、短時間で実施することができた。   In Comparative Example 2, since the all-atom molecular dynamics simulation with a large calculation load was performed, the calculation could not be completed even after 10,000 hours had passed. Therefore, the embodiment was able to carry out a stable and accurate simulation in a short time.

S4 カップリング剤モデルを定義する工程 S4 Defining the coupling agent model

Claims (4)

ポリマーと、フィラーと、前記ポリマーに前記フィラーを結合させるためのカップリング剤とを含む高分子材料について、前記ポリマーをモデリングしたポリマーモデル、前記フィラーをモデリングしたフィラーモデル、及び、前記カップリング剤をモデリングしたカップリング剤モデルを含む高分子材料モデルを用いた粗視化分子動力学シミュレーションを、コンピュータを用いて行うための方法であって、
前記高分子材料の一部に対応する仮想空間であるセルを、前記コンピュータに定義する工程と、
前記セルの内部に、前記ポリマーモデル、前記フィラーモデル、及び、前記カップリング剤モデルを配置して、前記高分子材料モデルを前記コンピュータに定義する工程とを含み、
前記ポリマーモデルは、前記ポリマーの分子構造を、各々が30〜550の分子量を有する複数の粗視化粒子でモデリングしたものであり、
前記カップリング剤モデルは、前記カップリング剤の分子構造を、各々が30〜550の分子量を有する複数の粗視化粒子でモデリングしたものである
高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。
A polymer model including a polymer, a filler, and a coupling agent for binding the filler to the polymer, a polymer model modeling the polymer, a filler model modeling the filler, and the coupling agent A method for performing coarse-grained molecular dynamics simulation using a polymer material model including a modeled coupling agent model using a computer ,
Defining a cell in the computer that is a virtual space corresponding to a portion of the polymeric material;
Disposing the polymer model, the filler model, and the coupling agent model inside the cell to define the polymer material model in the computer,
The polymer model is obtained by modeling the molecular structure of the polymer with a plurality of coarse-grained particles each having a molecular weight of 30 to 550,
The coupling agent model, the molecular structure of the coupling agent, in which each modeled by a plurality of coarse-grained particles having a molecular weight of 30 to 550,
Coarse-grained molecular dynamics simulation method for polymer materials.
前記カップリング剤の粗視化粒子の分子量は、前記ポリマーの粗視化粒子の分子量と同一である請求項1記載の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。   The coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to claim 1, wherein the molecular weight of the coarse-grained particles of the coupling agent is the same as the molecular weight of the coarse-grained particles of the polymer. 前記コンピュータが、前記高分子材料モデルの変形計算を行って、前記ポリマーモデル、前記フィラーモデル、及び、前記カップリング剤モデルが配置されていない前記セルの空孔の大きさに基づいて、前記高分子材料の破壊を評価する工程とをさらに含む請求項1又は2記載の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。 The computer performs deformation calculation of the polymer material model, and based on the pore size of the cell in which the polymer model, the filler model, and the coupling agent model are not disposed, The method for coarse-grained molecular dynamics simulation of a polymer material according to claim 1, further comprising a step of evaluating destruction of the molecular material. 前記高分子材料モデルの変形計算を行う工程に先立ち、前記コンピュータが、前記高分子材料モデルの構造緩和を計算する工程と、
前記高分子材料モデルの構造緩和を計算した後、前記コンピュータが、前記カップリング剤モデルを介して、前記フィラーモデルと前記ポリマーモデルとの間を連結するとともに、隣接する前記ポリマーモデル間を連結する架橋モデルを定義して、前記高分子材料モデルの構造緩和を再計算する工程とをさらに含む請求項3記載の高分子材料の粗視化分子動力学シミュレーション方法。
Prior to the step of calculating deformation of the polymer material model, the computer calculates structural relaxation of the polymer material model;
After calculating the structural relaxation of the polymer material model, the computer connects the filler model and the polymer model through the coupling agent model and connects the adjacent polymer models. The coarse-grained molecular dynamics simulation method for a polymer material according to claim 3, further comprising the step of defining a crosslinking model and recalculating the structural relaxation of the polymer material model.
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