JP6852551B2 - Simulation method for polymer materials - Google Patents
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Description
本発明は、高分子材料のシミュレーション方法に関し、詳しくは、高分子材料に含まれる高分子成分とフィラーとの相互作用を、コンピュータを用いて解析するための方法に関する。 The present invention relates to a method for simulating a polymer material, and more particularly to a method for analyzing the interaction between a polymer component contained in a polymer material and a filler using a computer.
近年、フィラーが配合された高分子材料の開発のために、コンピュータを用いたシミュレーションが行われている。下記特許文献1のシミュレーション方法では、フィラーをモデル化したフィラーモデル、及び、高分子成分の分子鎖をモデル化した分子鎖モデルを用いた分子動力学計算が行われ、両者の相互作用等を推定する試みがなされている。 In recent years, computer-based simulations have been carried out for the development of polymer materials containing fillers. In the simulation method of Patent Document 1 below, molecular dynamics calculation is performed using a filler model that models a filler and a molecular chain model that models a molecular chain of a polymer component, and the interaction between the two is estimated. Attempts have been made.
上記特許文献1のフィラーモデルは、仮想空間であるセルを構成する一対の面に、均一な平面を構成するように配置された複数のフィラー粒子モデルで定義されている。このようなフィラーモデルを用いたシミュレーション方法では、例えば、フィラーの表面状態等に起因するフィラーと分子鎖との相互作用の変化を考慮することができず、高分子成分とフィラーとの相互作用を精度良く解析できないという問題があった。 The filler model of Patent Document 1 is defined by a plurality of filler particle models arranged so as to form a uniform plane on a pair of surfaces constituting a cell which is a virtual space. In the simulation method using such a filler model, for example, the change in the interaction between the filler and the molecular chain due to the surface condition of the filler cannot be considered, and the interaction between the polymer component and the filler can be considered. There was a problem that it could not be analyzed accurately.
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、高分子成分とフィラーとの相互作用を精度良く解析することができる高分子材料の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 an object of the present invention is to provide a method for simulating a polymer material capable of accurately analyzing the interaction between a polymer component and a filler. ..
本発明は、高分子材料に含まれる高分子成分とフィラーとの相互作用を、コンピュータを用いて解析する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入力する工程と、前記セル内に、複数のポリマー粒子モデルを用いて前記高分子成分の分子鎖をモデル化した分子鎖モデルを移動可能に定義する工程と、前記セル内に、複数のフィラー粒子モデルを用いて前記フィラーをモデル化したフィラーモデルを移動不能に定義する工程と、前記ポリマー粒子モデル間、及び、前記フィラー粒子モデルと前記ポリマー粒子モデルとの間に、引力及び斥力が作用するポテンシャルを定義する工程と、前記コンピュータが、前記ポリマー粒子モデル、及び、前記フィラー粒子モデルを対象として分子動力学計算を行う工程とを含み、前記フィラーモデルは、第1フィラーモデルと第2フィラーモデルとを含んで定義され、前記第1フィラーモデルは、複数の前記フィラー粒子モデルが、見かけ上の平面を構成するように配置されており、前記第2フィラーモデルは、前記第1フィラーモデルの前記フィラー粒子モデルの少なくとも一つが欠損したものであり、前記第2フィラーモデルは、前記セル内に定義された前記分子鎖モデルと相互作用するように、前記セルの中心側に位置して前記第1フィラーモデルと重ねられていることを特徴とする。 The present invention is a method for analyzing the interaction between a polymer component contained in a polymer material and a filler using a computer, and provides a cell which is a virtual space corresponding to a part of the polymer material. , A step of inputting to the computer, a step of movably defining a molecular chain model in which the molecular chains of the polymer component are modeled using a plurality of polymer particle models, and a step of movably defining the molecular chains in the cell. Attractive and repulsive forces between the step of immovably defining a filler model that models the filler using a plurality of filler particle models, and between the polymer particle model and between the filler particle model and the polymer particle model. The filler model includes a step of defining the potential on which the is acting and a step of the computer performing a molecular dynamics calculation on the polymer particle model and the filler particle model, and the filler model includes a first filler model and a first filler model. The first filler model is defined to include two filler models, in which a plurality of the filler particle models are arranged so as to form an apparent plane, and the second filler model is the first filler. At least one of the filler particle models of the model is missing, and the second filler model is located on the center side of the cell so as to interact with the molecular chain model defined in the cell. It is characterized in that it is overlapped with the first filler model.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記セルは、互いに向き合う一対の面を少なくとも含み、前記第1フィラーモデルの前記フィラー粒子モデルは、少なくとも一方の前記面に配されていてもよい。 In the method for simulating a polymer material according to the present invention, the cell may include at least a pair of faces facing each other, and the filler particle model of the first filler model may be arranged on at least one of the faces. ..
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第1フィラーモデルの前記フィラー粒子モデルは、一対の前記面のそれぞれに配されていてもよい。 In the method for simulating a polymer material according to the present invention, the filler particle model of the first filler model may be arranged on each of the pair of the surfaces.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第2フィラーモデルは、一対の前記面の間の厚さ方向で互いに向き合って配されており、一対の前記第2フィラーモデル間の距離は、前記分子鎖モデルの慣性半径の3倍以上であってもよい。 In the method for simulating a polymer material according to the present invention, the second filler models are arranged facing each other in the thickness direction between the pair of the surfaces, and the distance between the pair of the second filler models is , It may be 3 times or more the inertial radius of the molecular chain model.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記高分子材料は、前記フィラーに対する前記分子鎖の親和性を高める官能基を含み、前記官能基を少なくとも一つの官能基粒子モデルでモデル化した官能基モデルを、前記フィラーモデルに結合させる工程と、前記官能基粒子モデルと前記ポリマー粒子モデルとの間に、前記ポテンシャルを定義する工程とをさらに含み、前記分子動力学計算を行う工程は、前記ポリマー粒子モデル、前記フィラー粒子モデル、及び、前記官能基粒子モデルを対象として、前記分子動力学計算を行ってもよい。 In the method for simulating a polymer material according to the present invention, the polymer material contains a functional group that enhances the affinity of the molecular chain for the filler, and the functional group is modeled by at least one functional group particle model. The step of performing the molecular dynamics calculation further includes a step of binding the functional group model to the filler model and a step of defining the potential between the functional group particle model and the polymer particle model. The molecular dynamics calculation may be performed on the polymer particle model, the filler particle model, and the functional group particle model.
本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記官能基モデルは、前記第2フィラーモデルの前記欠損した部分に配置されてもよい。 In the method for simulating a polymer material according to the present invention, the functional group model may be arranged in the defective portion of the second filler model.
本発明の高分子材料のシミュレーション方法の前記フィラーモデルは、前記第1フィラーモデルと前記第2フィラーモデルとを含んで定義される。前記第1フィラーモデルは、複数の前記フィラー粒子モデルが、見かけ上の平面を構成するように配置されている。前記第2フィラーモデルは、前記第1フィラーモデルの前記フィラー粒子モデルの少なくとも一つが欠損したものである。前記第2フィラーモデルは、前記セル内に定義された前記分子鎖モデルと相互作用するように、前記セルの中心側に位置して前記第1フィラーモデルと重ねられている。 The filler model of the polymer material simulation method of the present invention is defined to include the first filler model and the second filler model. In the first filler model, a plurality of the filler particle models are arranged so as to form an apparent plane. The second filler model is one in which at least one of the filler particle models of the first filler model is missing. The second filler model is located on the center side of the cell and is superimposed on the first filler model so as to interact with the molecular chain model defined in the cell.
発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、フィラーの表面に、フィラーの原子に置き換わる官能基が存在し、フィラーと分子鎖との相互作用に変化が生じることを知見した。本実施形態のシミュレーション方法では、前記第2フィラーモデルの前記フィラー粒子モデルが欠損した部分と、欠損していない部分とにより、前記分子鎖モデルに対する前記ポテンシャルを変化させることができる。従って、本発明のシミュレーション方法は、前記フィラーの表面状態等に起因する前記フィラーと前記分子鎖との相互作用の変化を考慮して、前記高分子成分と前記フィラーとの相互作用を精度良く解析することが可能となる。 As a result of intensive research, the inventors have found that a functional group that replaces an atom of the filler exists on the surface of the filler, and the interaction between the filler and the molecular chain changes. In the simulation method of the present embodiment, the potential for the molecular chain model can be changed depending on the portion of the second filler model in which the filler particle model is deleted and the portion in which the filler particle model is not deleted. Therefore, the simulation method of the present invention accurately analyzes the interaction between the polymer component and the filler in consideration of the change in the interaction between the filler and the molecular chain due to the surface state of the filler and the like. It becomes possible to do.
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、高分子材料に含まれる高分子成分とフィラーとの相互作用を、コンピュータを用いて解析するための方法である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The method for simulating the polymer material of the present embodiment (hereinafter, may be simply referred to as “simulation method”) is for analyzing the interaction between the polymer component contained in the polymer material and the filler using a computer. This is the method.
図1は、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。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を含んで構成されている。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処理手順(プログラム)が予め記憶されている。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a computer for executing a simulation method. The computer 1 includes a
高分子材料は、少なくとも1種類、本実施形態では1種類の高分子成分を含んでいる。高分子成分の一例は、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、又は、スチレンブタジエンゴム等である。本実施形態の高分子成分としては、イソプレンゴム(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。))である場合が例示される。図2は、ポリイソプレンの構造式である。 The polymer material contains at least one kind of polymer component, and in this embodiment, one kind of polymer component. Examples of the polymer component are natural rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, styrene butadiene rubber and the like. Examples of the polymer component of the present embodiment include isoprene rubber (cis-1,4 polyisoprene (hereinafter, may be simply referred to as "polyisoprene")). FIG. 2 is a structural formula of polyisoprene.
ポリイソプレンを構成する分子鎖2は、メチン基等(例えば、−CH=、>C=)、メチレン基(−CH2−)、及び、メチル基(−CH3)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、高分子材料には、ポリイソプレン以外の高分子材料が用いられてもよい。
The
フィラーの一例としては、グラファイト(カーボンブラック)、又は、シリカ等である。本実施形態のフィラーとしては、グラファイトである場合が例示される。また、高分子鎖には、フィラーに対する分子鎖の親和性を高める官能基が含まれている。官能基の一例としては、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、又は、カルボン酸塩である。本実施形態の官能基としては、アルデヒド、及び、ケトンである場合が例示される。 An example of the filler is graphite (carbon black), silica, or the like. An example of the filler of the present embodiment is graphite. In addition, the polymer chain contains a functional group that enhances the affinity of the molecular chain for the filler. Examples of functional groups are aldehydes, ketones, carboxylic acids, or carboxylic acid salts. Examples of the functional group of the present embodiment include aldehydes and ketones.
図3は、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では、先ず、高分子材料の一部に対応する仮想空間であるセル4が、コンピュータ1に入力される(工程S1)。図4は、セル及び分子鎖モデルの一例を示す概念図である。 FIG. 3 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the simulation method. In the simulation method of the present embodiment, first, the cell 4, which is a virtual space corresponding to a part of the polymer material, is input to the computer 1 (step S1). FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of a cell and a molecular chain model.
本実施形態のセル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、後述の分子動力学計算において、例えば、高分子成分の分子鎖2(図2に示す)をモデル化した後述の分子鎖モデル6について、一方側の面5aから出て行った分子鎖モデル6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、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 of the present embodiment has at least a pair of
セル4の一辺の各長さL1(L1a、L1b、L1c)は、適宜設定することができる。本実施形態の長さL1は、後述の分子鎖モデル6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げるため、分子鎖モデル6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 (L1a, L1b, L1c) of one side of the cell 4 can be appropriately set. The length L1 of this embodiment is preferably three times or more the radius of inertia (not shown), which is an amount indicating the spread of the
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、セル4内に、高分子成分の分子鎖をモデル化した分子鎖モデル6が定義される(工程S2)。本実施形態の分子鎖モデル6は、全原子モデルとして構成されている。なお、分子鎖モデル6は、例えば、粗視化モデル(Kremer-Grestモデル等)として定義されてもよい。
Next, in the simulation method of the present embodiment, a
分子鎖モデル6は、複数のポリマー粒子モデル7を用いてモデル化され、セル4内に移動可能に定義されている。移動可能とは、後述の分子動力学計算に基づいて、分子鎖モデル6がセル4内を移動することができることを意味している。本実施形態の分子鎖モデル6は、複数のポリマー粒子モデル7と、隣接するポリマー粒子モデル7、7間を結合する結合鎖モデル8とを含んで構成されている。図5は、分子鎖モデルの一例を示す概念図である。
The
ポリマー粒子モデル7及び結合鎖モデル8は、図2に示した分子鎖2のモノマー3をなす単位構造に基づいて連結される。これにより、モノマーモデル11が設定される。本実施形態の分子鎖モデル6は、一つのモノマーモデル11のみで定義されている。これにより、本実施形態のシミュレーション方法は、後述の分子動力学計算において、計算対象のポリマー粒子モデル7の鎖長を大幅に短くすることができるため、構造緩和に要する計算時間を短縮しうる。しかも、分子鎖モデル6は、モノマー3をなす単位構造に基づいて定義されるため、計算精度の低下も抑えることができる。なお、分子鎖モデル6は、計算精度をさらに高めるために、モノマーモデル11を、分子量(重合度)Mnに基づいて連結されて定義されてもよい。
The
ポリマー粒子モデル7は、後述する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、ポリマー粒子モデル7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。本実施形態のポリマー粒子モデル7は、図2に示した分子鎖2の炭素原子をモデル化した炭素粒子モデル7C、及び、水素原子をモデル化した水素粒子モデル7Hを含んでいる。
The
結合鎖モデル8は、主鎖8aと側鎖8bとを含んでいる。主鎖8aは、炭素粒子モデル7C、7Cを連結するためのものである。側鎖8bは、炭素粒子モデル7Cと水素粒子モデル7Hとの間を連結するためのものである。また、結合鎖モデル8には、一対の原子間の一重結合を定義した一重結合ボンドモデル8Aと、一対の原子間の二重結合を定義した二重結合ボンドモデル8Bとを含んでいる。
The binding
結合鎖モデル8を介して隣り合うポリマー粒子モデル7、7間には、引力及び斥力が作用するポテンシャルP1が定義される。一重結合ボンドモデル8A及び二重結合ボンドモデル8Bには、異なる値のポテンシャルP1がそれぞれ定義される。
A potential P1 on which attractive and repulsive forces act is defined between the
ポテンシャルP1については、従来と同様に、適宜定義することができる。本実施形態のポテンシャルP1は、論文1(Stephen L. Mayo, Barry D. Olafson, and William A. Goddard III 著 「DREIDING: A Generic Force Field for Molecular Simulations」、J. Chem Phys. vol.94, No.26 ,8897-8909, 1990)に基づいて、図2に示した分子鎖2の構造に応じて設定されている。
The potential P1 can be appropriately defined as in the conventional case. The potential P1 of this embodiment is described in Paper 1 (Stephen L. Mayo, Barry D. Olafson, and William A. Goddard III, "DREIDING: A Generic Force Field for Molecular Simulations", J. Chem Phys. Vol.94, No. Based on .26, 8897-8909, 1990), it is set according to the structure of the
セル4内に定義される分子鎖モデル6の個数については、適宜設定することができる。本実施形態の分子鎖モデル6の個数は、セル4内に配置される全ての分子鎖モデル6の密度が、ポリイソプレンの密度に一致するように調整されるのが望ましい。分子鎖モデル6は、コンピュータ1に記憶される。
The number of
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、セル4内に、フィラーをモデル化したフィラーモデルが定義される(工程S3)。図6は、セル4、フィラーモデル13及び分子鎖モデル6の一例を示す概念図である。
Next, in the simulation method of the present embodiment, a filler model in which the filler is modeled is defined in the cell 4 (step S3). FIG. 6 is a conceptual diagram showing an example of the cell 4, the
フィラーモデル13は、複数のフィラー粒子モデル14を用いてモデル化され、セル4内に移動不能に定義されている。ここで、「移動不能」とは、後述の分子動力学計算に基づいて、フィラーモデル13がセル4内を移動できないことを意味している。本実施形態では、フィラー粒子モデル14のセル4内での座標値が固定されることによって、フィラーモデル13が移動不能に定義されている。
The
フィラーモデル13は、第1フィラーモデル13Aと第2フィラーモデル13Bとを含んで定義されている。
The
図7は、第1フィラーモデル13Aの一例を示す斜視図である。図8は、図7の第1フィラーモデル13Aの平面図である。第1フィラーモデル13Aは、複数のフィラー粒子モデル14が、見かけ上の平面を構成するように配置されている。本実施形態では、セル4内において、各フィラー粒子モデル14が移動不能に定義されており、隣接するフィラー粒子モデル14、14間が、互いに連結されていない。なお、見かけ上の平面には、隣接するフィラー粒子モデル14によって形成される凹凸が許容されるものとする。図6に示されるように、本実施形態のフィラー粒子モデル14は、セル4の少なくとも一方の面5、本実施形態では、一対の面5、5のそれぞれに配されている。
FIG. 7 is a perspective view showing an example of the
本実施形態のフィラー粒子モデル14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。フィラー粒子モデル14の粒子径については、適宜設定することができる。本実施形態において、フィラー粒子モデル14の粒子径は、ポリマー粒子モデル7の粒子径と同一、又は、やや大きく設定されている。なお、フィラー粒子モデル14は、セル4内に移動不能に定義されているため、後述の分子動力学計算において、時間発展を計算する必要がない。このため、フィラー粒子モデル14を運動方程式の質点として取り扱う場合に比べて、分子動力学計算の計算時間を短縮しうる。
Parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined in the
図8に示されるように、フィラー粒子モデル14は、セル4の面5(図6に示す)に規則的に配置されている。本実施形態の第1フィラーモデル13Aは、フィラー粒子モデル14を含んだ複数のユニット16が、見かけ上の平面を構成するように配置されることで定義されている。本実施形態のユニット16は、フィラー(本実施形態では、グラファイト)の構造に基づいて、六角形の頂点に配されたフィラー粒子モデル14によって構成されている。
As shown in FIG. 8, the
フィラー粒子モデル14をセル4内に移動不能に定義する方法は、適宜採用することができる。本実施形態では、各フィラー粒子モデル14のセル4内での座標を固定することで、フィラー粒子モデル14を移動不能に定義している。これにより、フィラー粒子モデル14を容易に移動不能に定義できるとともに、後述の分子動力学計算での計算時間を短縮することができる。
A method of defining the
第1フィラーモデル13Aにおいて、隣接するフィラー粒子モデル14、14間に形成される隙間は、ポリマー粒子モデル7の粒子径よりも小さく設定されている。これにより、第1フィラーモデル13Aは、ポリマー粒子モデル7の浸入を阻止できるため、後述の分子動力学計算において、分子鎖モデル6がフィラーモデル13の内部に浸入するような非現実的な計算を防ぐことができる。
In the
図9は、第2フィラーモデル13Bの一例を示す平面図である。第2フィラーモデル13Bは、図8に示した第1フィラーモデル13Aのフィラー粒子モデル14の少なくとも一つが欠損したものである。本実施形態では、例えば、フィラーに結合している官能基の数や種類に基づいて、フィラー粒子モデル14を欠損させている。なお、フィラー粒子モデル14は、ランダムに欠損させてもよい。官能基の数や種類については、例えば、実験等によって求められる。
FIG. 9 is a plan view showing an example of the
図6に示されるように、第2フィラーモデル13Bは、第1フィラーモデル13Aに対してセル4の中心側に位置するように、第1フィラーモデル13Aと重ねられている。これにより、本実施形態のフィラーモデル13は、第1フィラーモデル13Aと第2フィラーモデル13Bとが重なる2層で構成されている。第2フィラーモデル13Bは、第1フィラーモデル13Aに対してセル4の中心側に位置しているため、後述の分子動力学計算において、第1フィラーモデル13Aに比べて分子鎖モデル6と優先的に相互作用するように計算することができる。このような第2フィラーモデル13Bと、第1フィラーモデル13Aとにより、フィラーの表面に形成される凹凸を表現することができる。
As shown in FIG. 6, the
フィラーモデル13が配される一対の面5、5の間の厚さ方向(以下、単に「厚さ方向」ということがある。)において、第1フィラーモデル13Aと第2フィラーモデル13Bとの間の距離L2については、適宜設定することができる。本実施形態の距離L2は、高分子成分とフィラーとの相互作用を精度良く解析するために、例えば、グラファイトの壁間距離に基づいて設定することができる。なお、距離L2は、フィラー粒子モデル14、14の中心14c間の距離として定義される。
Between the
第2フィラーモデル13Bは、セル4の一対の面5、5のそれぞれに配された第1フィラーモデル13A、13Aに重ねられている。これにより、第2フィラーモデル13Bは、厚さ方向(本実施形態では、Z軸方向)において、互いに向き合って配されている。一対の第2フィラーモデル13B、13B間の厚さ方向の距離L3については、適宜設定することができる。本実施形態の距離L3は、後述の分子動力学計算において、分子鎖モデル6の構造緩和や、分子鎖モデル6とフィラーモデル13との相互作用を効率よく計算するために、分子鎖モデル6の慣性半径(図示省略)の3倍以上に設定されるのが望ましい。なお、距離L3は、フィラー粒子モデル14、14の中心14c間の距離として定義される。フィラーモデル13は、コンピュータ1に記憶される。
The
次に、本実施形態のシミュレーション方法では、ポリマー粒子モデル7、7間(即ち、結合鎖モデル8を介さずに隣り合うポリマー粒子モデル7、7間)、及び、フィラー粒子モデル14とポリマー粒子モデル7との間に、引力及び斥力が作用するポテンシャルが定義される(工程S4)。図10は、ポテンシャルの一例を示す概念図である。
Next, in the simulation method of the present embodiment, between the
先ず、ポリマー粒子モデル7、7間のポテンシャルP2は、下記式(1)のLJポテンシャルULJ(rij)によって定義される。
First, the potential P2 between the
ここで、各定数及び変数は、Lennard-Jones ポテンシャルのパラメータであり、次のとおりである。
rij:ポリマー粒子モデル7、7間の距離
ε:ポリマー粒子モデル7、7間に定義されるLJポテンシャルの強度
σ:ポリマー粒子モデル7の直径に相当
rc:カットオフ距離(=2.5σ)
なお、距離rijは、各ポリマー粒子モデル7、7の中心7c間の距離として定義される。
Here, each constant and variable is a parameter of the Lennard-Jones potential and is as follows.
r ij : Distance between
The distance r ij is defined as the distance between the
上記式(1)において、ポテンシャルP2は、ポリマー粒子モデル7、7間の距離rijがカットオフ距離rc未満になる場合のみ、斥力及び引力を生じさせる。なお、ポリマー粒子モデル7、7間の距離rijがカットオフ距離rc以上になった場合は、ポテンシャルP2がゼロとなり、斥力及び引力が生じない。
In the above formula (1), the potential P2 generates repulsive force and attractive force only when the distance r ij between the
本実施形態では、炭素粒子モデル7C、7C間、水素粒子モデル7H、7H間、及び、炭素粒子モデル7Cと水素粒子モデル7Hとの間に、それぞれ異なるポテンシャルP2が設定されている。各ポテンシャルP2は、上記式(1)の定数がそれぞれ異なっている。なお、各定数は、例えば、上記論文1に基づいて、適宜設定することができる。ポテンシャルP2は、コンピュータ1に記憶される。
In this embodiment, different potentials P2 are set between the
次に、フィラー粒子モデル14とポリマー粒子モデル7との間のポテンシャルP3は、ポリマー粒子モデル7、7間のポテンシャルP2と同様に、上記式(1)のLJポテンシャルULJ(rij)によって定義される。このようなポテンシャルP3により、フィラー粒子モデル14とポリマー粒子モデル7との間に作用する引力及び斥力を定義することができる。ポテンシャルP3の各定数及び各変数の値としては、適宜設定することができるが、上記論文2に基づいて設定されるのが望ましい。
Next, the potential P3 between the
ポテンシャルP3は、第1フィラーモデル13Aの各フィラー粒子モデル14、及び、第2フィラーモデル13Bの各フィラー粒子モデル14に、それぞれ定義されている。本実施形態において、第1フィラーモデル13Aの各フィラー粒子モデル14に定義されるポテンシャルP3、及び、第2フィラーモデル13Bの各フィラー粒子モデル14に定義されるポテンシャルP3の各定数及び各変数は、同一に設定されている。このため、第2フィラーモデル13Bは、第1フィラーモデル13Aよりもセル4の中心側(即ち、ポリマー粒子モデル7の近く)に位置しているため、ポテンシャルP3の斥力又は引力を、ポリマー粒子モデル7に対して優先的に作用させることができる。
The potential P3 is defined in each
さらに、フィラーモデル13において、第2フィラーモデル13Bのフィラー粒子モデル14が欠損していない部分(以下、単に「非欠損部」ということがある。)17では、厚さ方向(本実施形態では、Z軸方向)において、第1フィラーモデル13Aのフィラー粒子モデル14のポテンシャルP3と、第2フィラーモデル13Bのフィラー粒子モデル14のポテンシャルP3との双方を、ポリマー粒子モデル7に作用させることができる。他方、第2フィラーモデル13Bのフィラー粒子モデル14が欠損している部分(以下、単に「欠損部」ということがある。)18では、厚さ方向において、第1フィラーモデル13Aのフィラー粒子モデル14のポテンシャルP3のみを、ポリマー粒子モデル7に作用させることができる。
Further, in the
このように、本実施形態のシミュレーション方法では、非欠損部17と、欠損部18とで、分子鎖モデル6に対するポテンシャルP3の強度を変化させることができる。ポテンシャルP3は、コンピュータ1に記憶される。
As described above, in the simulation method of the present embodiment, the strength of the potential P3 with respect to the
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、ポリマー粒子モデル7、及び、フィラー粒子モデル14を対象として分子動力学計算を行う(工程S5)。
Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 performs the molecular dynamics calculation for the
本実施形態の分子動力学計算では、例えば、セル4について所定の時間、分子鎖モデル6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、各時刻でのポリマー粒子モデル7の動きが、単位時間ステップ毎に追跡される。
In the molecular dynamics calculation of the present embodiment, for example, Newton's equation of motion is applied to cell 4 assuming that the
分子動力学計算では、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S5では、実際の高分子材料の分子運動に近似させて、分子鎖モデル6の人為的な初期配置を精度よく緩和することができる。これにより、高分子材料モデル10が設定される。構造緩和の計算は、例えば、従来と同様に、(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を用いて処理することができる。
In the molecular dynamics calculation, the pressure and temperature are kept constant, or the volume and temperature are kept constant in the cell 4. As a result, in step S5, the artificial initial arrangement of the
本実施形態のシミュレーション方法では、フィラーモデル13が移動不能に定義されているため、分子鎖モデル6の初期配置のみが緩和される。これにより、本実施形態のシミュレーション方法は、例えば、分子鎖モデル6、及び、移動可能に定義されたフィラーモデル(図示省略)の双方を対象に緩和計算が行われる場合に比べて、計算時間を短縮することができる。さらに、本実施形態の分子鎖モデル6は、一つのモノマーモデル11のみで定義されているため、計算時間を大幅に短縮することができる。図11は、高分子材料モデル10の一例を示す概念図である。
In the simulation method of the present embodiment, since the
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、フィラーモデル13の非欠損部17と欠損部18とにより、分子鎖モデル6とフィラーモデル13との間のポテンシャルP3の強度を変化させることができる。これにより、本実施形態の工程S5では、フィラーの表面状態(例えば、フィラーの原子に置き換わる官能基の存在)等に起因するフィラーと分子鎖との相互作用の変化を考慮して、分子鎖モデル6を緩和することができる。
As described above, in the simulation method of the present embodiment, the strength of the potential P3 between the
また、フィラーモデル13は、第2フィラーモデル13Bの欠損部18に分子鎖モデル6が浸入しても、欠損部のない第1フィラーモデル13Aによって、分子鎖モデル6の浸入を阻止できる。これにより、分子鎖モデル6がフィラーモデル13の内部に浸入するような非現実的な計算を防ぐことができる。
Further, in the
次に、図3に示されるように、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、分子鎖モデル6の初期配置を十分に緩和できたか否かを判断する(工程S6)。緩和の判断基準については、従来と同様に、適宜設定することができる。
Next, as shown in FIG. 3, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the initial arrangement of the
工程S6において、分子鎖モデル6の初期配置を十分に緩和できたと判断された場合(工程S6において、「Y」)、次の工程S7が実施される。他方、工程S6において、分子鎖モデル6の初期配置を十分に緩和できていないと判断された場合(工程S6において、「N」)、単位ステップを一つ進めて(工程S8)、工程S5及び工程S6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では、図11に示されるように、分子鎖モデル6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。単位ステップは、例えば、0.5〜2.0fsに設定される。
If it is determined in step S6 that the initial arrangement of the
次に、図3に示されるように、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、図10に示したフィラーモデル13と分子鎖モデル6との相互作用の強さを評価して、高分子成分とフィラーとの相互作用を解析する(工程S7)。
Next, as shown in FIG. 3, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 evaluates the strength of the interaction between the
本実施形態の工程S7では、先ず、ポリマー粒子モデル7及びフィラー粒子モデル14を対象に、予め定められた時間(例えば、2〜10ns)分の分子動力学計算が、単位ステップ毎に計算される。各単位ステップにおいて、各分子鎖モデル6のポリマー粒子モデル7の座標が、コンピュータ1に記憶される。
In step S7 of the present embodiment, first, the molecular dynamics calculation for a predetermined time (for example, 2 to 10 ns) is calculated for each unit step for the
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、フィラーモデル13の非欠損部17と欠損部18とにより、分子鎖モデル6とフィラーモデル13との間のポテンシャルP3の強度を変化させることができる。これにより、本実施形態の工程S7での分子動力学計算では、フィラーの表面状態(例えば、フィラーの原子に置き換わる官能基の存在)等に起因するフィラーと分子鎖との相互作用の変化を考慮して、分子鎖モデル6とフィラーモデル13との相互作用を、精度良く計算することができる。
As described above, in the simulation method of the present embodiment, the strength of the potential P3 between the
また、フィラーモデル13は、第2フィラーモデル13Bの欠損部18に分子鎖モデル6が浸入しても、欠損部のない第1フィラーモデル13Aによって、分子鎖モデル6の浸入を防ぐことができる。これにより、分子鎖モデル6がフィラーモデル13の内部に浸入するような非現実的な計算を防ぐことができる。
Further, in the
次に、工程S7では、コンピュータ1に記憶されているポリマー粒子モデル7の座標値に基づいて、フィラーモデル13と分子鎖モデル6との相互作用の強さが評価される。相互作用の強さの評価については、適宜行うことができる。本実施形態では、分子鎖モデル6のポリマー粒子モデル7の平均二乗変位( Mean-square Displacement:MSD)に基づいて、フィラーモデル13と分子鎖モデル6との相互作用の強さが評価される。本実施形態では、ポリマー粒子モデル7のうち、炭素粒子モデル7Cのみを対象に、平均二乗変位が計算される。平均二乗変位は、下記式(2)で定義される。
Next, in step S7, the strength of the interaction between the
MSD=<|r(τ)−r(0)|2> …(2)
なお、符号は次のとおりである。
r(0):任意の時刻におけるポリマー粒子モデルの座標値
r(τ):任意の時刻から時間τ後におけるポリマー粒子モデルの座標値
<>:アンサンブル平均
MSD = <| r (τ) -r (0) | 2 > ... (2)
The symbols are as follows.
r (0): Coordinate value of polymer particle model at arbitrary time r (τ): Coordinate value of polymer particle model after time τ from arbitrary time <>: Ensemble average
上記式(2)において、上記|r(τ)−r(0)|は、ポリマー粒子モデル7が時間幅τで移動した距離である。この距離|r(τ)−r(0)|を二乗した値について、評価対象となるポリマー粒子モデル7に対してアンサンブル平均をとることにより、時間幅τにおける平均二乗変位が求められる。なお、各座標値r(τ)、r(0)は、各ポリマー粒子モデル7の中心7cで特定されるものとする。なお、「τ」は、シミュレーションに用いられる時間のパラメータである。
In the above formula (2), the above | r (τ) −r (0) | is the distance traveled by the
平均二乗変位は、各ポリマー粒子モデル7が時間幅τで移動した距離の二乗を、評価対象のポリマー粒子モデル7でアンサンブル平均した値である。このような平均二乗変位の値を調べることにより、ポリマー粒子モデル7の運動量を把握することができる。
The mean square displacement is a value obtained by averaging the square of the distance traveled by each
平均二乗変位が小さい場合、ポリマー粒子モデル7の運動量が小さいことを示している。このため、フィラーモデル13と分子鎖モデル6との相互作用が強いと評価することができる。これにより、工程S7では、高分子成分とフィラーとの相互作用が大きいと推定することができる。
When the mean square displacement is small, it indicates that the momentum of the
他方、平均二乗変位が大きい場合、ポリマー粒子モデル7の運動量が大きいことを示している。このため、フィラーモデル13と分子鎖モデル6との相互作用が弱いと評価することができる。これにより、工程S7では、高分子成分とフィラーとの相互作用が小さいと推定することができる。このように、工程S7では、平均二乗変位に基づいて、フィラーモデル13と分子鎖モデル6との相互作用の強さ、及び、高分子成分とフィラーとの相互作用を、容易かつ正確に評価することができる。
On the other hand, when the mean square displacement is large, it indicates that the momentum of the
フィラーモデル13と分子鎖モデル6との相互作用の強さの評価は、フィラーの表面状態(例えば、フィラーの原子に置き換わる官能基の存在)等に起因するフィラーと分子鎖との相互作用の変化を考慮した分子動力学計算の結果に基づいて行われている。このため、工程S7では、フィラーモデル13と分子鎖モデル6との相互作用の強さに基づいて、高分子成分とフィラーとの相互作用を、精度良く解析することができる。高分子成分とフィラーとの相互作用の解析結果は、高分子材料の開発に役立たせることができる。
The evaluation of the strength of the interaction between the
これまでの実施形態では、図10に示したフィラーモデル13の非欠損部17と欠損部18とにより、フィラーと分子鎖との相互作用の変化が考慮されたが、このような態様に限定されない。例えば、フィラーモデル13の非欠損部17と欠損部18だけでなく、さらに官能基をモデル化した官能基モデルを用いて、フィラーと分子鎖との相互作用の変化が考慮されてもよい。
In the embodiments so far, changes in the interaction between the filler and the molecular chain have been considered by the
図12は、本発明の他の実施形態のシミュレーション方法の処理手順を示すフローチャートである。図13は、本発明の他の実施形態の第2フィラーモデル13B及び官能基モデル21を示す概念図である。図14は、図13の第2フィラーモデル13B及び官能基モデル21の平面図である。なお、この実施形態において、前実施形態と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省略することがある。
FIG. 12 is a flowchart showing a processing procedure of the simulation method of another embodiment of the present invention. FIG. 13 is a conceptual diagram showing a
この実施形態のシミュレーション方法では、分子動力学計算を行う工程S5に先立って、官能基モデル21を、フィラーモデル13に結合させる(工程S9)。官能基モデル21は、官能基を少なくとも一つの官能基粒子モデル22でモデル化したものである。官能基モデル21としては、例えば、アルデヒド(−CHO)をモデル化したアルデヒドモデル21Aと、ケトン(−CO−)をモデル化したケトンモデル21Bとを含んでいる。
In the simulation method of this embodiment, the
上述したように、官能基は、フィラーの表面に、フィラーの原子に置き換わって存在しており、フィラーと分子鎖との相互作用に変化を生じさせている。このため、本実施形態の官能基モデル21は、第2フィラーモデル13Bの欠損部18に配置される。欠損部18に配置された官能基モデル21は、隣接する第2フィラーモデル13Bのフィラー粒子モデル14に連結されている。
As described above, the functional groups are present on the surface of the filler in place of the atoms of the filler, causing a change in the interaction between the filler and the molecular chain. Therefore, the
官能基粒子モデル22は、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、ポリマー粒子モデル7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。本実施形態の官能基粒子モデル22は、図13に示されるように、炭素粒子モデル22c、水素粒子モデル22h、及び、酸素粒子モデル22oを含んでいる。
The functional
官能基粒子モデル22、22間の連結、及び、官能基粒子モデル22とフィラー粒子モデル14との連結は、適宜定義することができる。本実施形態の官能基粒子モデル22、22間の連結、及び、官能基粒子モデル22とフィラー粒子モデル14との連結は、ポリマー粒子モデル7、7間の連結と同様に定義されている。官能基モデル21は、コンピュータ1に記憶される。
The connection between the functional
次に、この実施形態のシミュレーション方法では、官能基粒子モデル22とポリマー粒子モデル7との間、及び、官能基粒子モデル22とフィラー粒子モデル14との間に、引力及び斥力が作用するポテンシャルP4が定義される(工程S10)。このポテンシャルP4は、上記式(1)のLJポテンシャルULJ(rij)によって定義される。ポテンシャルP4の各定数及び各変数の値としては、適宜設定することができるが、上記論文1に基づいて設定されるのが望ましい。
Next, in the simulation method of this embodiment, the potential P4 in which attractive and repulsive forces act between the functional
この実施形態の分子動力学計算を行う工程S5では、コンピュータ1が、ポリマー粒子モデル7、フィラー粒子モデル14、及び、官能基粒子モデル22を対象として、分子動力学計算を行う(工程S5)。分子動力学計算の詳細については、前実施形態で説明したとおりである。
In the step S5 of performing the molecular dynamics calculation of this embodiment, the computer 1 performs the molecular dynamics calculation for the
この実施形態において、フィラーモデル13と分子鎖モデル6との相互作用の強さを評価する工程S7では、先ず、前実施形態と同様に、ポリマー粒子モデル7、フィラー粒子モデル14、及び、官能基粒子モデル22を対象に、分子動力学計算が行われる。そして、ポリマー粒子モデル7の座標値に基づいて、フィラーモデル13と分子鎖モデル6との相互作用の強さが評価される。相互作用の強さの評価方法については、前実施形態で説明したとおりである。
In the step S7 for evaluating the strength of the interaction between the
この実施形態では、フィラーモデル13の非欠損部17と欠損部18とによって変化するポテンシャルP3(図10に示す)だけでなく、官能基粒子モデル22とポリマー粒子モデル7との間のポテンシャルP4(図13に示す)も、分子鎖モデル6に対して作用している。これにより、本実施形態のシミュレーション方法では、フィラーの原子に置き換わる官能基の存在に起因するフィラーと分子鎖との相互作用の変化を考慮することができるため、分子鎖モデル6とフィラーモデル13との相互作用(高分子成分とフィラーとの相互作用)を、より精度良く計算することができる。
In this embodiment, not only the potential P3 (shown in FIG. 10) changed by the
これまでの実施形態では、第1フィラーモデル13Aのフィラー粒子モデル14、及び、第2フィラーモデル13Bのフィラー粒子モデル14が、厚さ方向(本実施形態では、Z軸方向)で互いに結合されない態様が例示されたが、第1フィラーモデル13Aのフィラー粒子モデル14、及び、第2フィラーモデル13Bのフィラー粒子モデル14が互いに結合されていてもよい。これにより、三次元的な網目構造をもつシリカをモデル化したフィラーモデル13を、精度よく定義することができる。
In the previous embodiments, the
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。 Although the particularly preferable embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the illustrated embodiments and can be modified into various embodiments.
図3に示した処理手順に従って、仮想空間であるセル内に、分子鎖モデル、及び、第1フィラーモデルと第2フィラーモデルとを含む2層のフィラーモデルが定義された(実施例1〜2)。また、図12に示した処理手順に従い、分子鎖モデル、及び、2層のフィラーモデルに加えて、官能基モデルがさらに定義された(実施例3〜4)。なお、実施例5〜6は、分子動力学計算において、圧力を一定に保持する圧力制御が省略された。 According to the processing procedure shown in FIG. 3, a molecular chain model and a two-layer filler model including a first filler model and a second filler model were defined in a cell which is a virtual space (Examples 1 and 2). ). Further, according to the treatment procedure shown in FIG. 12, a functional group model was further defined in addition to the molecular chain model and the two-layer filler model (Examples 3 to 4). In Examples 5 to 6, pressure control for keeping the pressure constant was omitted in the molecular dynamics calculation.
また、比較のために、フィラー粒子モデルの欠損を有しない第2フィラーモデルを含む2層のフィラーモデルが定義された(比較例1)。さらに、仮想空間であるセル内に、分子鎖モデル、及び、第2フィラーモデルのみを含む1層のフィラーモデルが定義された(比較例2、比較例3)。 Further, for comparison, a two-layer filler model including a second filler model having no defect in the filler particle model was defined (Comparative Example 1). Further, a molecular chain model and a one-layer filler model including only the second filler model were defined in the cell which is a virtual space (Comparative Example 2 and Comparative Example 3).
そして、実施例1〜6、及び、比較例1〜3の分子鎖モデル、フィラーモデル、及び、官能基モデルを対象に、分子動力学計算(5ns)がコンピュータを用いて実施され、フィラーと分子鎖との相互作用の強さが評価された。なお、相互作用の強さは、実施例2の平均二乗変位の値を100とする指数で表示されている。数値が大きいほど、相互作用が強いことを示している。共通仕様は、次のとおりである。 Then, a molecular dynamics calculation (5ns) was carried out using a computer for the molecular chain model, the filler model, and the functional group model of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3, and the filler and the molecule were subjected to the calculation. The strength of the interaction with the chain was evaluated. The strength of the interaction is indicated by an index with the value of the mean square displacement of Example 2 as 100. The larger the number, the stronger the interaction. The common specifications are as follows.
セル:一辺の各長さL1:3.68〜3.83nm
高分子成分:ポリイソプレン(密度:0.9〜1.0g/cm3)
分子鎖モデル:
個数:セル内に配置される全ての分子鎖モデルの密度が、
ポリイソプレンの上記の密度に一致するように調整
第2フィラーモデル間の距離L3/慣性半径Rg:10
フィラー:グラファイト(カーボンブラック)
官能基:アルデヒド、ケトン
テストの結果を表に示す。
Cell: Each length of one side L1: 3.68 to 3.83 nm
Polymer component: Polyisoprene (Density: 0.9-1.0 g / cm 3 )
Molecular chain model:
Quantity: The density of all molecular chain models placed in the cell,
Adjusted to match the above density of polyisoprene
Distance between second filler models L3 / radius of inertia Rg: 10
Filler: Graphite (carbon black)
Functional groups: Aldehydes, ketones The results of the test are shown in the table.
一般に、グラファイトの表面が活性化する(即ち、官能基モデルの個数、又は、欠損の割合が大きくなる)ほど、相互作用(界面接着力)が強くなることが知られている(例えば、「カーボンブラック便覧(第3版)」、カーボンブラック協会、1995年、P216)。実施例1〜2は、第2フィラーモデルのフィラー粒子モデルの欠損の割合が大きくなるほど、フィラーと分子鎖との相互作用が強くなった。さらに、実施例3〜4、及び、実施例5〜6は、官能基モデルの個数、及び、第2フィラーモデルのフィラー粒子モデルの欠損の割合が大きくなるほど、フィラーと分子鎖との相互作用が強くなった。従って、実施例1〜6の結果より、本発明のシミュレーション方法は、高分子成分とフィラーとの相互作用を精度良く解析できた。 It is generally known that the more activated the surface of graphite (that is, the larger the number of functional group models or the proportion of defects), the stronger the interaction (interfacial adhesive force) (for example, "carbon"). Black Handbook (3rd Edition) ", Carbon Black Association, 1995, p. 216). In Examples 1 and 2, the larger the percentage of defects in the filler particle model of the second filler model, the stronger the interaction between the filler and the molecular chain. Further, in Examples 3 to 4 and Examples 5 to 6, as the number of functional group models and the rate of deletion of the filler particle model of the second filler model increase, the interaction between the filler and the molecular chain increases. I got stronger. Therefore, from the results of Examples 1 to 6, the simulation method of the present invention was able to accurately analyze the interaction between the polymer component and the filler.
さらに、実施例1〜4は、圧力を一定に保持する圧力制御が行われているため、圧力制御が行われない実施例5、6に比べて、官能基モデルの個数、及び、第2フィラーモデルのフィラー粒子モデルの欠損の割合に起因する相互作用の強さの変化を、精度よく定義することができた。 Further, in Examples 1 to 4, since the pressure is controlled to keep the pressure constant, the number of functional group models and the second filler are as compared with those of Examples 5 and 6 in which the pressure is not controlled. The change in the strength of the interaction due to the percentage of defects in the model filler particle model could be defined accurately.
他方、比較例1は、官能基モデルの個数、及び、第2フィラーモデルのフィラー粒子モデルの欠損の割合が「0」であるため、フィラーモデルと分子鎖モデルとの間のポテンシャルが均一に作用し、フィラーと分子鎖との相互作用の変化を考慮することができなかった。このため、比較例1は、高分子成分とフィラーとの相互作用を、精度良く解析することができなかった。 On the other hand, in Comparative Example 1, since the number of functional group models and the defect ratio of the filler particle model of the second filler model are "0", the potential between the filler model and the molecular chain model acts uniformly. However, the change in the interaction between the filler and the molecular chain could not be considered. Therefore, in Comparative Example 1, the interaction between the polymer component and the filler could not be analyzed accurately.
また、第2フィラーモデルのみを含む1層のフィラーモデルが定義された比較例2及び比較例3は、欠損部分に分子鎖モデルが浸入し、分子鎖モデルが欠損部分からセルの面にはみ出した。このため、比較例2及び比較例3は、高分子成分とフィラーとの相互作用を解析することができなかった。 Further, in Comparative Example 2 and Comparative Example 3 in which a one-layer filler model including only the second filler model was defined, the molecular chain model penetrated into the defective portion, and the molecular chain model protruded from the defective portion onto the cell surface. .. Therefore, in Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the interaction between the polymer component and the filler could not be analyzed.
4 セル
6 分子鎖モデル
13 フィラーモデル
13A 第1フィラーモデル
13B 第2フィラーモデル
14 フィラー粒子モデル
4
Claims (6)
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入力する工程と、
前記セル内に、複数のポリマー粒子モデルを用いて前記高分子成分の分子鎖をモデル化した分子鎖モデルを移動可能に定義する工程と、
前記セル内に、複数のフィラー粒子モデルを用いて前記フィラーをモデル化したフィラーモデルを移動不能に定義する工程と、
前記ポリマー粒子モデル間、及び、前記フィラー粒子モデルと前記ポリマー粒子モデルとの間に、引力及び斥力が作用するポテンシャルを定義する工程と、
前記コンピュータが、前記ポリマー粒子モデル、及び、前記フィラー粒子モデルを対象として分子動力学計算を行う工程とを含み、
前記フィラーモデルは、第1フィラーモデルと第2フィラーモデルとを含んで定義され、
前記第1フィラーモデルは、複数の前記フィラー粒子モデルが、見かけ上の平面を構成するように配置されており、
前記第2フィラーモデルは、前記第1フィラーモデルの前記フィラー粒子モデルの少なくとも一つが欠損したものであり、
前記第2フィラーモデルは、前記セル内に定義された前記分子鎖モデルと相互作用するように、前記セルの中心側に位置して前記第1フィラーモデルと重ねられている高分子材料のシミュレーション方法。 It is a method for analyzing the interaction between a polymer component contained in a polymer material and a filler using a computer.
A process of inputting a cell, which is a virtual space corresponding to a part of the polymer material, into the computer,
In the cell, a step of movably defining a molecular chain model that models the molecular chain of the polymer component using a plurality of polymer particle models, and
A step of defining a filler model in which the filler is modeled by using a plurality of filler particle models in the cell, and a step of immovably defining the filler model.
A step of defining the potential for attractive and repulsive forces to act between the polymer particle models and between the filler particle model and the polymer particle model.
The computer includes a step of performing a molecular dynamics calculation on the polymer particle model and the filler particle model.
The filler model is defined to include a first filler model and a second filler model.
In the first filler model, a plurality of the filler particle models are arranged so as to form an apparent plane.
The second filler model lacks at least one of the filler particle models of the first filler model.
The second filler model is a method for simulating a polymer material located on the center side of the cell and superposed on the first filler model so as to interact with the molecular chain model defined in the cell. ..
前記第1フィラーモデルの前記フィラー粒子モデルは、少なくとも一方の前記面に配されている請求項1記載の高分子材料のシミュレーション方法。 The cell contains at least a pair of faces facing each other.
The method for simulating a polymer material according to claim 1, wherein the filler particle model of the first filler model is arranged on at least one of the surfaces.
一対の前記第2フィラーモデル間の距離は、前記分子鎖モデルの慣性半径の3倍以上である請求項3記載の高分子材料のシミュレーション方法。 The second filler model is arranged facing each other in the thickness direction between the pair of the surfaces.
The method for simulating a polymer material according to claim 3, wherein the distance between the pair of the second filler models is three times or more the radius of inertia of the molecular chain model.
前記官能基を少なくとも一つの官能基粒子モデルでモデル化した官能基モデルを、前記フィラーモデルに結合させる工程と、
前記官能基粒子モデルと前記ポリマー粒子モデルとの間に、前記ポテンシャルを定義する工程とをさらに含み、
前記分子動力学計算を行う工程は、前記ポリマー粒子モデル、前記フィラー粒子モデル、及び、前記官能基粒子モデルを対象として、前記分子動力学計算を行う請求項1乃至4のいずれかに記載の高分子材料のシミュレーション方法。 The polymeric material contains functional groups that enhance the affinity of the molecular chain for the filler.
A step of binding the functional group model in which the functional group is modeled by at least one functional group particle model to the filler model, and
A step of defining the potential is further included between the functional group particle model and the polymer particle model.
The high level according to any one of claims 1 to 4, wherein the step of performing the molecular dynamics calculation is performed on the polymer particle model, the filler particle model, and the functional group particle model. Method of simulating molecular materials.
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