JP6871533B2 - Simulation method for polymer materials - Google Patents

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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、両者の反応状態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 reaction state of both is estimated. Attempts have been made.

特開2014−203262号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-203262

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、見かけ上の球面を構成するように配置されかつ互いに連結されており、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 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 plurality of fillers in the cell. Define the potential for attractive and repulsive forces to act between the step of defining a filler model that models the filler using a particle model, the polymer particle model, and between the filler particle model and the polymer particle model. The computer includes the polymer particle model and the step of performing molecular dynamics calculation on the filler particle model, and the filler model includes 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 spherical surface and are connected to each other, and the second filler model is the first filler model of the first filler model. At least one of the filler particle models 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 by being overlapped with a 1-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、前記第1フィラーモデルの前記フィラー粒子モデル、及び、前記第2フィラーモデルの前記フィラー粒子モデルは、それらの半径方向で互いに結合されていてもよい。 In the method for simulating a polymer material according to the present invention, the filler particle model of the first filler model and the filler particle model of the second filler model may be coupled to each other in their radial directions. ..

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の前記フィラー粒子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 molecular dynamics calculation further includes a step of binding the functional group model to the filler particle model of the filler model and a step of defining the potential between the functional group particle model and the polymer particle model. In the step of performing the above, 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、前記官能基粒子モデルは、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 particle 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、見かけ上の球面を構成するように配置されかつ互いに連結されている。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 spherical surface and are connected to each other. 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.

また、本実施形態の第1フィラーモデル及び第2フィラーモデルは、見かけ上の球面を構成するように前記フィラー粒子モデルが配置されているため、現実のフィラーの表面形状に近似させることができる。従って、本発明の高分子材料のシミュレーション方法は、フィラーモデル及び分子鎖モデルを用いた分子動力学計算が実施されることにより、現実のフィラー近傍での分子鎖の分布を精度良く再現することができる。 Further, in the first filler model and the second filler model of the present embodiment, since the filler particle model is arranged so as to form an apparent spherical surface, it can be approximated to the actual surface shape of the filler. Therefore, in the simulation method of the polymer material of the present invention, the distribution of the molecular chain in the vicinity of the actual filler can be accurately reproduced by performing the molecular dynamics calculation using the filler model and the molecular chain model. it can.

高分子材料の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 executing the simulation method of a polymer material. ポリイソプレンの構造式である。It is a structural formula of polyisoprene. 高分子材料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。It is a flowchart which shows an example of the processing procedure of the simulation method of a polymer material. セル、分子鎖モデル及びフィラ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 cell, a molecular chain model and a filler model. 分子鎖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 molecular chain model. フィラ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 filler model. 第1フィラーモデルの一例を示す部分斜視図である。It is a partial perspective view which shows an example of the 1st filler model. 第2フィラーモデルの一例を示す部分斜視図である。It is a partial perspective view which shows an example of the 2nd filler model. ポテンシャルの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of a potential. 本発明の他の実施形態の高分子材料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。It is a flowchart which shows the processing procedure of the simulation method of the polymer material of another embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態の第2フィラーモデル及び官能基モデルを示す部分斜視図である。It is a partial perspective view which shows the 2nd filler model and the functional group model of another embodiment of this invention.

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。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 main body 1a, a keyboard 1b, a mouse 1c, and a display device 1d. The main body 1a is provided with, for example, a storage device such as an arithmetic processing unit (CPU), a ROM, a work memory, and a magnetic disk, and disk drive devices 1a1 and 1a2. Further, the storage device stores in advance a processing procedure (program) for executing the simulation method of the present embodiment.

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(−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、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 molecular chain 2 constituting the polyisoprene is an isoprene monomer composed of a methine group or the like (for example, -CH =,> C =), a methylene group (-CH 2- ), and a methyl group (-CH 3). (Isoprene molecule) 3 is linked at a degree of polymerization n. As the polymer material, a polymer material other than polyisoprene may be used.

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. As the filler of the present embodiment, the case of graphite is exemplified. 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、分子鎖モデル及びフィラー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, a molecular chain model, and a filler model.

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 has at least a pair of faces 5, 5 facing each other, and in the present embodiment, three pairs of faces 5, 5, facing each other, and is defined as a rectangular parallelepiped or a cube (in the present embodiment, a cube). .. Periodic boundary conditions are defined on each of the surfaces 5 and 5. By using such a cell 4, in the molecular dynamics calculation described later, for example, with respect to the molecular chain model 6 described later, which models the molecular chain 2 (shown in FIG. 2) of the polymer component, one side surface. It can be calculated so that a part of the molecular chain model 6 exiting from 5a enters from the other surface 5b. Therefore, it can be treated as if 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(L1a、L1b及び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 and 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 molecular chain model 6 described later. As a result, in the molecular dynamics calculation described later, the cell 4 can prevent the occurrence of collision with its own image due to the periodic boundary condition, so that the spatial spread of the molecular chain model 6 can be appropriately calculated. Further, the size of the cell 4 is set to a stable volume at, for example, 1 atm. 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。 Next, in the simulation method of the present embodiment, a molecular chain model 6 that models the molecular chain of the polymer component is defined in the cell 4 (step S2). The molecular chain model 6 of this embodiment is configured as an all-atomic model.

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おいて、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 molecular chain model 6 is modeled using a plurality of polymer particle models 7 and is defined to be movable within the cell 4. Movable means that the molecular chain model 6 can move in the cell 4 in the molecular dynamics calculation described later. The molecular chain model 6 of the present embodiment includes a plurality of polymer particle models 7 and a binding chain model 8 that binds between the adjacent polymer particle models 7 and 7. FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of a molecular chain model.

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ることで定義されてもよい。 The polymer particle model 7 and the bound chain model 8 are linked based on the unit structure forming the monomer 3 of the molecular chain 2 shown in FIG. As a result, the monomer model 11 is set. The molecular chain model 6 of this embodiment is defined by only one monomer model 11. As a result, in the simulation method of the present embodiment, the chain length of the polymer particle model 7 to be calculated can be significantly shortened in the molecular dynamics calculation described later, so that the calculation time required for structural relaxation can be shortened. Moreover, since the molecular chain model 6 is defined based on the unit structure forming the monomer 3, it is possible to suppress a decrease in calculation accuracy. The molecular chain model 6 may be defined by connecting the monomer models 11 based on the molecular weight (degree of polymerization) Mn in order to further improve the calculation accuracy.

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 polymer particle model 7 is treated as a mass point of the equation of motion in the molecular dynamics calculation described later. That is, in the polymer particle model 7, parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined. The polymer particle model 7 of the present embodiment includes a carbon particle model 7C that models the carbon atom of the molecular chain 2 shown in FIG. 2 and a hydrogen particle model 7H that models a hydrogen atom.

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 chain model 8 includes a main chain 8a and a side chain 8b. The main chain 8a is for connecting the carbon particle models 7C and 7C. The side chain 8b is for connecting between the carbon particle model 7C and the hydrogen particle model 7H. Further, the bond chain model 8 includes a single bond model 8A that defines a single bond between a pair of atoms and a double bond model 8B that defines a double bond between a pair of atoms.

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 polymer particle models 7 and 7 adjacent to each other via the binding chain model 8. Potentials P1 with different values are defined in the single bond model 8A and the double bond model 8B, respectively.

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 molecular chain 2 shown in FIG.

図4に示したセル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。 The number of molecular chain models 6 defined in the cell 4 shown in FIG. 4 can be appropriately set. It is desirable that the number of molecular chain models 6 of the present embodiment be adjusted so that the densities of all the molecular chain models 6 arranged in the cell 4 match the densities of polyisoprene.

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たが、このような態様に限定されない。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。さらに、分子鎖モデル6は、特開2014−225226号公報の記載に基づいて、緩和された粗視化モデルにモノマーモデル11を割り当てるリバースマッピングが実施されることによって、全原子モデルが構成されてもよい。分子鎖モデル6は、コンピュータ1に記憶される。 The molecular chain model 6 of the present embodiment is configured as an all-atomic model, but is not limited to such an embodiment. The molecular chain model 6 may be defined as, for example, a coarse-grained model (Kremer-Grest model, etc.). Further, the molecular chain model 6 is configured as an all-atomic model by performing reverse mapping in which the monomer model 11 is assigned to the relaxed coarse-grained model based on the description in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-225226. May be good. The molecular chain 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、フィラーモデル13の一例を示す概念図である。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内に移動可能に定義されている。ここで、「移動可能」とは、後述の分子動力学計算において、フィラーモデル13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。なお、フィラーモデル13は、移動不能に定義されていてもよい。 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 filler model 13. The filler model 13 is modeled using a plurality of filler particle models 14 and is defined to be movable within the cell 4. Here, "movable" means that the filler model 13 can move in the cell 4 in the molecular dynamics calculation described later. The filler model 13 may be defined as immovable.

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とを含んで定義されている。図7は、第1フィラーモデル13Aの一例を示す部分斜視図である。図7では、第2フィラーモデル13Bを省略して表示している。 The filler model 13 of the present embodiment is defined to include a first filler model 13A and a second filler model 13B. FIG. 7 is a partial perspective view showing an example of the first filler model 13A. In FIG. 7, the second filler model 13B is omitted.

図7に示されるように、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、見かけ上の球面を構成するように配置されており、互いに連結されている。なお、見かけ上の球面としては、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。 As shown in FIG. 7, in the first filler model 13A, a plurality of filler particle models 14 are arranged so as to form an apparent spherical surface, and are connected to each other. As the apparent spherical surface, it is assumed that the unevenness formed by the adjacent filler particle model 14 is allowed.

フィラー粒子モデル14は、後述の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、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。本実施形態の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。 The filler particle model 14 is treated as a mass point of the equation of motion in the molecular dynamics calculation described later. That is, parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined in the filler particle model 14. The particle size of the filler particle model 14 can be set as appropriate. The particle size of the filler particle model 14 of the present embodiment is set to be the same as or slightly larger than the particle size of the polymer particle model 7.

第1フィラーモデル13Aは、フィラー粒子モデル14を連結した複数のユニット16が、見かけ上の球面を構成するように連結されるのが望ましい。ユニット16は、例えば、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が連結されることで定義される。また、隣接するユニット16、16のフィラー粒子モデル14、14間も同様に、連結されている。これにより、現実のフィラーの構造に基づくフィラーモデル13を、容易に定義することができる。 In the first filler model 13A, it is desirable that a plurality of units 16 connecting the filler particle model 14 are connected so as to form an apparent spherical surface. The unit 16 is defined, for example, by connecting the filler particle model 14 arranged at the apex of the hexagon based on the structure of the filler (graphite in this embodiment). Further, the filler particle models 14 and 14 of the adjacent units 16 and 16 are also connected in the same manner. Thereby, the filler model 13 based on the structure of the actual filler can be easily defined.

隣接するフィラー粒子モデル14、14は、結合鎖モデル15によって連結されている。結合鎖モデル15を介して隣り合うフィラー粒子モデル14、14間には、引力及び斥力が作用するポテンシャルP2が定義される。ポテンシャルP2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P2は、上記論文1に基づいて、フィラーの構造に応じて設定されている。 Adjacent filler particle models 14, 14 are linked by a binding chain model 15. A potential P2 on which attractive and repulsive forces act is defined between the filler particle models 14 and 14 adjacent to each other via the binding chain model 15. The potential P2 can be appropriately defined as in the conventional case. The potential P2 of the present embodiment is set according to the structure of the filler based on the above-mentioned paper 1.

第1フィラーモデル13Aを構成するフィラー粒子モデル14の半径方向内側は、他のフィラー粒子モデル14が配置されない空間として形成されている。これにより、本実施形態のシミュレーション方法は、例えば、フィラー粒子モデル14が半径方向内側まで密に配置されたフィラーモデル(図示省略)が用いられるシミュレーション方法に比べて、後述の分子動力学計算での計算対象のフィラー粒子モデル14の数を大幅に減らすことができるため、計算時間を短縮しうる。 The inside of the filler particle model 14 constituting the first filler model 13A in the radial direction is formed as a space in which the other filler particle model 14 is not arranged. As a result, the simulation method of the present embodiment is different from the simulation method in which, for example, a filler model (not shown) in which the filler particle model 14 is densely arranged inward in the radial direction is used, in the molecular dynamics calculation described later. Since the number of filler particle models 14 to be calculated can be significantly reduced, the calculation time can be shortened.

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、図4に示したポリマー粒子モデル7の粒子径よりも小さく設定されるのが望ましい。これにより、第1フィラーモデル13Aは、第1フィラーモデル13Aの半径方向内側に、ポリマー粒子モデル7が浸入するのを阻止できるため、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 first filler model 13A, it is desirable that the gap formed between the adjacent filler particle models 14 and 14 is set smaller than the particle size of the polymer particle model 7 shown in FIG. As a result, the first filler model 13A can prevent the polymer particle model 7 from invading the inside of the first filler model 13A in the radial direction. Therefore, in the molecular dynamics calculation described later, the molecular chain model 6 is the filler model 13. It is possible to prevent unrealistic calculations that infiltrate the inside of.

図8は、第2フィラーモデル13Bの一例を示す部分斜視図である。なお、図8では、第1フィラーモデル13Aを省略して表示している。第2フィラーモデル13Bは、図7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。このため、図8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と同様に、複数の前記フィラー粒子モデル14が、見かけ上の球面を構成するように配置されかつ互いに連結されている。本実施形態の第2フィラーモデル13B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. 8 is a partial perspective view showing an example of the second filler model 13B. In FIG. 8, the first filler model 13A is omitted. The second filler model 13B lacks at least one of the filler particle models 14 of the first filler model 13A shown in FIG. 7. Therefore, as shown in FIG. 8, in the second filler model 13B, similarly to the first filler model 13A, a plurality of the filler particle models 14 are arranged so as to form an apparent spherical surface and are connected to each other. Has been done. In the second filler model 13B of the present embodiment, the filler particle model 14 is deleted based on, for example, the number and types of functional groups bonded to the filler. The filler particle model 14 may be randomly deleted. The number and types of functional groups can be determined by, for example, experiments.

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。本実施形態の第2フィラーモデル13Bは、第1フィラーモデル13Aの半径方向外側において、第1フィラーモデル13Aよりも大きな外径を有する見かけ上の球面を構成している。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層で構成される。フィラーモデル13は、セル4の対角線上で互いに向き合って配置されている。 As shown in FIG. 6, the second filler model 13B is overlapped with the first filler model 13A so as to be located on the center side of the cell 4 with respect to the first filler model 13A. The second filler model 13B of the present embodiment constitutes an apparent spherical surface having an outer diameter larger than that of the first filler model 13A on the outer side in the radial direction of the first filler model 13A. As a result, the filler model 13 of the present embodiment is composed of two layers in which the first filler model 13A and the second filler model 13B overlap. The filler models 13 are arranged so as to face each other on the diagonal line of the cell 4.

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よりも分子鎖モデル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。 Since the second filler model 13B is located on the center side of the cell 4 with respect to the first filler model 13A, the molecular chain model 6 has priority over the first filler model 13A in the molecular dynamics calculation described later. It can be calculated to interact.

このように、フィラーモデル13は、第1フィラーモデル13Aと、第1フィラーモデル13Aのフィラー粒子モデル14を欠損させた第2フィラーモデル13Bとが重ねられることにより、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。しかも、本実施形態の第1フィラーモデル13A及び第2フィラーモデル13Bは、見かけ上の球面を構成するようにフィラー粒子モデル14が配置されているため、現実のフィラーの表面形状(球に近い形状)に近似させることができる。 In this way, the filler model 13 has irregularities formed on the surface of the filler by superimposing the first filler model 13A and the second filler model 13B lacking the filler particle model 14 of the first filler model 13A. Can be expressed. Moreover, in the first filler model 13A and the second filler model 13B of the present embodiment, since the filler particle model 14 is arranged so as to form an apparent spherical surface, the actual surface shape of the filler (shape close to a sphere). ) Can be approximated.

セル4内に定義されるフィラーモデル13の個数としては、適宜設定することができる。本実施形態では、1個のフィラーモデル13が定義されているが、複数個のフィラーモデル13が定義されてもよい。なお、複数個のフィラーモデル13が定義される場合、フィラーモデル13、13間の距離は、フィラーの体積分率に基づいて設定されるのが望ましい。 The number of filler models 13 defined in the cell 4 can be appropriately set. In the present embodiment, one filler model 13 is defined, but a plurality of filler models 13 may be defined. When a plurality of filler models 13 are defined, it is desirable that the distance between the filler models 13 and 13 is set based on the volume fraction of the filler.

第1フィラーモデル13A及び第2フィラーモデル13Bの半径方向において、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(図9に示す)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(図8に示す)間の距離として定義される。 The distance L2 (shown in FIG. 9) between the first filler model 13A and the second filler model 13B in the radial direction of the first filler model 13A and the second filler model 13B can be appropriately set. The distance L2 of the present embodiment can be set based on, for example, the interwall distance of graphite in order to accurately analyze the interaction between the polymer component and the filler. The distance L2 is defined as the distance between the centers 14c (shown in FIG. 8) of the filler particle models 14 and 14.

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は、半径方向において互いに結合されてもよい。連結方法については、上述したフィラー粒子モデル14、14の連結方法(本実施形態では、図8に示した結合鎖モデル15及びポテンシャルP2)のとおりである。これにより、フィラーモデル13は、シリカのような三次元の網目構造に形成される。従って、フィラーモデル13は、半径方向内側に空間が形成されていても、その剛性が大きく定義されるため、後述の分子動力学計算において、解析精度を高めることができる。フィラーモデル13は、コンピュータ1に記憶される。 The filler particle model 14 of the first filler model 13A and the filler particle model 14 of the second filler model 13B may be coupled to each other in the radial direction. The connecting method is the same as the connecting method of the filler particle models 14 and 14 described above (in this embodiment, the binding chain model 15 and the potential P2 shown in FIG. 8). As a result, the filler model 13 is formed into a three-dimensional network structure such as silica. Therefore, even if a space is formed inside the filler model 13 in the radial direction, its rigidity is largely defined, so that the analysis accuracy can be improved in the molecular dynamics calculation described later. The filler model 13 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、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9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 polymer particle models 7 and 7 (that is, between the polymer particle models 7 and 7 adjacent to each other without passing through the binding chain model 8), and between the filler particle model 14 and the polymer particle model. The potential on which attractive and repulsive forces act is defined between 7 and 7 (step S4). FIG. 9 is a conceptual diagram showing an example of the potential.

先ず、ポリマー粒子モデル7、7間のポテンシャルP3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 P3 between the polymer particle models 7 and 7 is defined by the LJ potential ULJ (r ij ) of the following formula (1).

Figure 0006871533

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。
ij: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
c: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。
Figure 0006871533

Here, each constant and variable is a parameter of the Lennard-Jones potential and is as follows.
r ij : Distance between polymer particle models 7 and 7 ε: Strength of LJ potential defined between polymer particle models 7 and 7 σ: Corresponds to the diameter of polymer particle model 7 r c : Cutoff distance (= 2.5σ) )
The distance r ij is defined as the distance between the centers 7c of each of the polymer particle models 7 and 7.

上記式(1)において、ポテンシャルP3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P3がゼロとなり、斥力及び引力が生じない。 In the above formula (1), the potential P3 generates repulsive force and attractive force only when the distance r ij between the polymer particle models 7 and 7 is less than the cutoff distance r c. When the distance r ij between the polymer particle models 7 and 7 is equal to or greater than the cutoff distance r c , the potential P3 becomes zero and no repulsive force or attractive force is generated.

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P3が設定されている。各ポテンシャルP3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P3は、コンピュータ1に記憶される。 In the present embodiment, different potentials P3 are set between the carbon particle models 7C and 7C, between the hydrogen particle models 7H and 7H, and between the carbon particle model 7C and the hydrogen particle model 7H. Each potential P3 has a different constant in the above equation (1). Each constant can be appropriately set based on, for example, the above-mentioned Article 1. The potential P3 is stored in the computer 1.

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P4は、ポリマー粒子モデル7、7間のポテンシャルP3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P4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, the potential P4 between the filler particle model 14 and the polymer particle model 7 is defined by the LJ potential ULJ (r ij ) of the above formula (1), similarly to the potential P3 between the polymer particle models 7 and 7. Will be done. With such a potential P4, it is possible to define the attractive force and the repulsive force acting between the filler particle model 14 and the polymer particle model 7. The values of each constant and each variable of the potential P4 can be set as appropriate, but it is desirable that they are set based on the above-mentioned Article 1.

ポテンシャルP4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P4、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P4の各定数及び各変数は、同一に設定されている。上述したように、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。このため、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P4は、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P4に比べて、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 P4 is defined in each filler particle model 14 of the first filler model 13A and each filler particle model 14 of the second filler model 13B, respectively. In the present embodiment, the potential P4 defined in each filler particle model 14 of the first filler model 13A and the potential P4 defined in each filler particle model 14 of the second filler model 13B are constants and variables. It is set to be the same. As described above, the second filler model 13B is located closer to the center of the cell 4 (ie, closer to the polymer particle model 7) than the first filler model 13A. Therefore, the potential P4 defined in each filler particle model 14 of the second filler model 13B is relative to the polymer particle model 7 as compared with the potential P4 defined in each filler particle model 14 of the first filler model 13A. It can act preferentially.

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、フィラーモデル13の半径方向において、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P4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P4との双方を、ポリマー粒子モデル7に対して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、半径方向において、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P4のみを、ポリマー粒子モデル7に対して作用させることができる。 Further, in the filler model 13, the portion 17 in which the filler particle model 14 of the second filler model 13B is not deficient (hereinafter, may be simply referred to as “non-defective portion”) 17 is the third in the radial direction of the filler model 13. Both the potential P4 of the filler particle model 14 of the 1 filler model 13A and the potential P4 of the filler particle model 14 of the second filler model 13B can act on the polymer particle model 7. On the other hand, in the portion 18 where the filler particle model 14 of the second filler model 13B is missing (hereinafter, may be simply referred to as “missing portion”) 18, in the radial direction, the filler particle model 14 of the first filler model 13A is defective. Only the potential P4 can act on the polymer particle model 7.

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P4の強度を変化させることができる。ポテンシャルP4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 P4 with respect to the molecular chain model 6 can be changed between the non-defective portion 17 and the defective portion 18. The potential P4 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、図4に示した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 polymer particle model 7 and the filler particle model 14 shown in FIG. 4 (step S5).

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 molecular chain model 6 follows classical mechanics for a predetermined time. Then, the movement of the polymer particle model 7 at each time is tracked for each unit time step.

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 molecular chain model 6 can be accurately relaxed by approximating the molecular motion of the actual polymer material. As a result, the polymer material model 10 is set. The calculation of structural relaxation can be performed using, for example, COGNAC included in the soft material comprehensive simulator (J-OCTA) manufactured by JSOL Corporation, as in the conventional case.

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、図9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、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P4の強度を変化させることができる。さらに、本実施形態のフィラーモデル13は、現実のフィラーの表面形状に近似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 P4 between the molecular chain model 6 and the filler model 13 is determined by the non-defective portion 17 and the defective portion 18 of the filler model 13 shown in FIG. Can be changed. Further, the filler model 13 of the present embodiment can be approximated to the surface shape of the actual filler. As a result, in step S5 of the present embodiment, the molecular chain model takes into consideration the change in the interaction between the filler and the molecular chain due to the surface state of the filler (for example, the presence of a functional group replacing the atom of the filler) and the like. 6 can be relaxed.

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 filler model 13, even if the molecular chain model 6 invades the defective portion 18 of the second filler model 13B, the intrusion of the molecular chain model 6 can be prevented by the first filler model 13A having no defective portion. This makes it possible to prevent unrealistic calculations such that the molecular chain model 6 penetrates into the filler model 13.

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 molecular chain model 6 can be sufficiently relaxed (step S6). The criteria for determining mitigation can be appropriately set as in the conventional case.

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、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 molecular chain model 6 has been sufficiently relaxed (“Y” in step S6), the next step S7 is carried out. On the other hand, if it is determined in step S6 that the initial arrangement of the molecular chain model 6 has not been sufficiently relaxed (“N” in step S6), one unit step is advanced (step S8), steps S5 and Step S6 is carried out again. As a result, in the simulation method of the present embodiment, the equilibrium state (state in which the structure is relaxed) of the molecular chain model 6 can be reliably calculated. The unit step is set to, for example, 0.5 to 2.0 fs.

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9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 filler model 13 and the molecular chain model 6 shown in FIG. 9, and the polymer is polymerized. The interaction between the component and the filler is analyzed (step S7).

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 polymer particle model 7 and the filler particle model 14. .. In each unit step, the coordinates of the polymer particle model 7 of each molecular chain model 6 are stored in the computer 1.

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P4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。さらに、本実施形態のフィラーモデル13は、現実のフィラーの表面形状に近似させることができるため、現実のフィラー近傍での分子鎖の分布を精度良く再現することができる。 As described above, in the simulation method of the present embodiment, the strength of the potential P4 between the molecular chain model 6 and the filler model 13 can be changed by the non-defective portion 17 and the defective portion 18 of the filler model 13. .. As a result, in the molecular dynamics calculation in step S7 of the present embodiment, changes in the interaction between the filler and the molecular chain due to the surface state of the filler (for example, the presence of a functional group replacing the atom of the filler) and the like are taken into consideration. Therefore, the interaction between the molecular chain model 6 and the filler model 13 can be calculated with high accuracy. Further, since the filler model 13 of the present embodiment can be approximated to the surface shape of the actual filler, the distribution of the molecular chains in the vicinity of the actual filler can be accurately reproduced.

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 filler model 13, even if the molecular chain model 6 invades the defective portion 18 of the second filler model 13B, the intrusion of the molecular chain model 6 can be prevented by the first filler model 13A having no defective portion. This makes it possible to prevent unrealistic calculations such that the molecular chain model 6 penetrates into the filler model 13.

次に、本実施形態の工程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 of the present embodiment, the strength of the interaction between the filler model 13 and the molecular chain model 6 is evaluated based on the coordinate values of the polymer particle model 7 stored in the computer 1. The strength of the interaction can be evaluated as appropriate. In this embodiment, the strength of the interaction between the filler model 13 and the molecular chain model 6 is evaluated based on the mean square displacement (MSD) of the polymer particle model 7 of the molecular chain model 6. In the present embodiment, the mean square displacement is calculated only for the carbon particle model 7C among the polymer particle models 7. The mean square displacement is defined by the following equation (2).

MSD=<|r(τ)−r(0)|> …(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 polymer particle model 7 in the time width τ. The mean square displacement in the time width τ can be obtained by taking the ensemble average for the polymer particle model 7 to be evaluated with respect to the squared value of this distance | r (τ) −r (0) |. It is assumed that the coordinate values r (τ) and r (0) are specified by the center 7c of each polymer particle model 7. Note that "τ" is a time parameter used in the simulation.

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 ensemble average of the square of the distance traveled by each polymer particle model 7 in the time width τ by the polymer particle model 7 to be evaluated. By examining the value of such mean square displacement, the momentum of the polymer particle model 7 can be grasped.

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 polymer particle model 7 is small. Therefore, it can be evaluated that the interaction between the filler model 13 and the molecular chain model 6 is strong. As a result, in step S7, it can be estimated that the interaction between the polymer component and the filler is large.

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。 On the other hand, when the mean square displacement is large, it indicates that the momentum of the polymer particle model 7 is large. Therefore, it can be evaluated that the interaction between the filler model 13 and the molecular chain model 6 is weak. As a result, in step S7, it can be estimated that the interaction between the polymer component and the filler is small.

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。 As described above, in step S7, the strength of the interaction between the filler model 13 and the molecular chain model 6 and the interaction between the polymer component and the filler are easily and accurately evaluated based on the mean square displacement. be able to.

上述したように、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。 As described above, the evaluation of the strength of the interaction between the filler model 13 and the molecular chain model 6 is based on the filler and the molecular chain due to the surface state of the filler (for example, the presence of a functional group replacing the atom of the filler) and the like. It is based on the result of molecular dynamics calculation considering the change of the interaction of. Therefore, in step S7, the interaction between the polymer component and the filler can be accurately analyzed based on the strength of the interaction between the filler model 13 and the molecular chain model 6. The analysis result of the interaction between the polymer component and the filler can be useful for the development of the polymer material.

これまでの実施形態では、図9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 previous embodiments, changes in the interaction between the filler and the molecular chain have been taken into consideration by the non-defective portion 17 and the defective portion 18 of the filler model 13 shown in FIG. 9, but the present invention is not limited to such an embodiment. .. For example, not only the non-defective portion 17 and the defective portion 18 of the filler model 13, but also a functional group model in which a functional group is modeled may be used to consider changes in the interaction between the filler and the molecular chain.

図10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11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を示す部分斜視図である。なお、図11では、第1フィラーモデル13Aを省略して表示している。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. 10 is a flowchart showing a processing procedure of the simulation method of another embodiment of the present invention. FIG. 11 is a partial perspective view showing a second filler model 13B and a functional group model 21 according to another embodiment of the present invention. In FIG. 11, the first filler model 13A is omitted. In this embodiment, the same configurations as those in the previous embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted.

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 functional group model 21 is bound to the filler model 13 prior to the step S5 of performing the molecular dynamics calculation (step S9). The functional group model 21 is a model of a functional group with at least one functional group particle model 22. The functional group model 21 includes, for example, an aldehyde model 21A that models an aldehyde (-CHO) and a ketone model 21B that models a ketone (-CO-).

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 functional group model 21 of the present embodiment is arranged in the defective portion 18 of the second filler model 13B. The functional group model 21 arranged in the defect portion 18 is connected to the filler particle model 14 of the adjacent second filler model 13B.

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11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 group particle model 22 is treated as a mass point of the equation of motion in the molecular dynamics calculation. That is, in the polymer particle model 7, parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined. As shown in FIG. 11, the functional group particle model 22 of the present embodiment includes a carbon particle model 22c, a hydrogen particle model 22h, and an oxygen particle model 22o.

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、結合鎖モデル23によって連結されている。結合鎖モデル23を介して隣り合う官能基粒子モデル22、22間、官能基粒子モデル22とフィラー粒子モデル14との間には、引力及び斥力が作用するポテンシャルP5が定義される。ポテンシャルP5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P5は、上記論文1に基づいて、官能基の構造に応じて設定されている。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 group particle models 22 and 22 and the connection between the functional group particle model 22 and the filler particle model 14 can be appropriately defined. The connection between the functional group particle models 22 and 22 of the present embodiment and the connection between the functional group particle model 22 and the filler particle model 14 are connected by the binding chain model 23. A potential P5 on which attractive and repulsive forces act is defined between the functional group particle models 22 and 22 adjacent to each other via the binding chain model 23, and between the functional group particle model 22 and the filler particle model 14. The potential P5 can be appropriately defined as in the conventional case. The potential P5 of this embodiment is set according to the structure of the functional group based on the above-mentioned paper 1. The functional group model 21 is stored in the computer 1.

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P6が定義される(工程S10)。ポテンシャルP6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P6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 P6 in which attractive and repulsive forces act between the functional group particle model 22 and the polymer particle model 7 and between the functional group particle model 22 and the filler particle model 14. Is defined (step S10). The potential P6 is defined by the LJ potential ULJ (r ij ) in the above equation (1). The values of each constant and each variable of the potential P6 can be set as appropriate, but it is desirable that they are set based on the above-mentioned Article 1.

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 on the polymer particle model 7, the filler particle model 14, and the functional group particle model 22 (step S5). The details of the molecular dynamics calculation are as described in the previous embodiment.

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、官能基粒子モデル22、及び、フィラー粒子モデル14の距離に基づいて、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 filler model 13 and the molecular chain model 6 in this embodiment, first, as in the previous embodiment, the polymer particle model 7, the filler particle model 14, and the functional group Molecular dynamics calculations are performed on the particle model 22. Then, the strength of the interaction between the filler model 13 and the molecular chain model 6 is evaluated based on the distances of the polymer particle model 7, the functional group particle model 22, and the filler particle model 14. The method for evaluating the strength of the interaction is as described in the previous embodiment.

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P4(図9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P6(図11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。また、官能基粒子モデル22は、分子動力学計算において、実際の官能基のように運動できるため、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において、高分子成分とフィラーとの相互作用をより精度良く評価することができる。 In this embodiment, not only the potential P4 (shown in FIG. 9) changed by the non-defective portion 17 and the defective portion 18 of the filler model 13, but also the potential P6 between the functional group particle model 22 and the polymer particle model 7 (shown in FIG. 9). (Shown in FIG. 11) also acts on the molecular chain model 6. As a result, in the simulation method of the present embodiment, the change in the interaction between the filler and the molecular chain due to the presence of the functional group replacing the atom of the filler can be considered, so that the molecular chain model 6 and the filler model 13 can be used. Interaction (interaction between polymer component and filler) can be calculated more accurately. Further, since the functional group particle model 22 can move like an actual functional group in the molecular dynamics calculation, the polymer is used in the step S7 for evaluating the strength of the interaction between the filler model 13 and the molecular chain model 6. The interaction between the component and the filler can be evaluated more accurately.

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)。第1フィラーモデル及び第2フィラーモデルのフィラー粒子モデルは、見かけ上の球面を構成するように配置された。さらに、図10に示した処理手順に従い、実施例1の分子鎖モデル及び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2及び実施例3)。 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 (Example 1). The filler particle models of the first filler model and the second filler model were arranged so as to form an apparent spherical surface. Further, according to the treatment procedure shown in FIG. 10, in addition to the molecular chain model of Example 1 and the two-layer filler model, a functional group model was further defined (Examples 2 and 3).

比較のために、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(比較例1)。比較例1の第1フィラーモデル及び第2フィラーモデルのフィラー粒子モデルは、見かけ上の平面を構成するように配置された。さらに、比較例1の分子鎖モデル及び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(比較例2及び比較例3)。 For comparison, 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 (Comparative Example 1). The filler particle models of the first filler model and the second filler model of Comparative Example 1 were arranged so as to form an apparent plane. Further, in addition to the molecular chain model of Comparative Example 1 and the two-layer filler model, a functional group model was further defined (Comparative Example 2 and Comparative Example 3).

さらに、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4)。また、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5、比較例6)。 Further, a two-layer filler model including a second filler model having no defect in the filler particle model was defined (Comparative Example 4). 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 5 and Comparative Example 6).

そして、実施例1〜3、及び、比較例1〜6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1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 6, and the filler and the molecule were carried out. 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 1 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
フィラー:グラファイト(カーボンブラック)
フィラーモデルの個数:1個
第2フィラーモデル:
フィラー粒子モデルの欠損の割合:21%
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 Filler: Graphite (carbon black)
Number of filler models: 1 Second filler model:
Percentage of defect in filler particle model: 21%
Functional groups: Aldehydes, ketones The results of the test are shown in the table.

Figure 0006871533
Figure 0006871533

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1〜3において、官能基モデルの個数が大きくなるほど、フィラーと分子鎖との相互作用が強くなる傾向を示した。従って、実施例1〜3の結果より、本発明のシミュレーション方法は、上記文献「カーボンブラック便覧(第3版)」に記載のように、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 to 3, the larger the number of functional group models, the stronger the interaction between the filler and the molecular chain. Therefore, from the results of Examples 1 to 3, the simulation method of the present invention can accurately analyze the interaction between the polymer component and the filler as described in the above-mentioned document "Carbon Black Handbook (3rd Edition)". It was.

他方、比較例1〜3は、官能基モデルの個数が大きくなるほど、フィラーと分子鎖との相互作用を強くすることができたが、上記文献「カーボンブラック便覧(第3版)」に記載の傾向と一致しなかった。このため、比較例1〜3は、実施例に比べて、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なかった。 On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3, the interaction between the filler and the molecular chain could be strengthened as the number of functional group models increased, which is described in the above-mentioned document "Carbon Black Handbook (3rd Edition)". Did not match the trend. Therefore, in Comparative Examples 1 to 3, the interaction between the polymer component and the filler could not be analyzed more accurately than in Examples.

比較例4は、第2フィラーモデルに欠損部及び官能基モデルが定義されなかったため、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。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5及び比較例6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5及び比較例6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。 In Comparative Example 4, since the defect and the functional group model were not defined in the second filler model, the interaction between the polymer component and the filler could not be analyzed accurately. In Comparative Example 5 and Comparative Example 6 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 5 and Comparative Example 6, 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 cell 6 molecular chain model 13 filler model 13A 1st filler model 13B 2nd filler model 14 filler particle model

Claims (4)

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、見かけ上の球面を構成するように配置されかつ互いに連結されており、
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,
A step of defining a molecular chain model in which the molecular chains of the polymer components are modeled using a plurality of polymer particle models in the cell, and
A step of defining a filler model in which the filler is modeled using a plurality of filler particle models in the cell, and a step of 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 spherical surface and are connected to each other.
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、及び、前記第2フィラーモデルの前記フィラー粒子モデルは、それらの半径方向で互いに結合されている請求項1記載の高分子材料のシミュレーション方法。 The method for simulating a polymer material according to claim 1, wherein the filler particle model of the first filler model and the filler particle model of the second filler model are coupled to each other in the radial direction thereof. 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の前記フィラー粒子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又は2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 particle model of 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 step of performing the molecular dynamics calculation is the step of performing the molecular dynamics calculation for the polymer particle model, the filler particle model, and the functional group particle model of the polymer material according to claim 1 or 2. Simulation method.
前記官能基粒子モデルは、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 method for simulating a polymer material according to claim 3, wherein the functional group particle model is arranged in the defective portion of the second filler model.
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