一种聚合物建模仿真方法及应用技术

本发明专利技术提供了一种聚合物建模仿真方法及应用，涉及高分子材料仿真技术领域，具体而言，方法包括如下步骤：步骤S1：获取单体的全原子结构模型，建立单体的粗粒化结构模型，并获取粗粒化结构模型的力场；步骤S2：利用聚合反应模型描述粗粒化结构模型的聚合反应过程，结合蒙特卡洛随机反应方法计算并调控聚合反应程度，待聚合反应结束后，进行结构松弛，得到聚合物粗粒化的交联网络模型；步骤S3：对聚合物粗粒化的交联网络模型进行反向映射，结构松弛后得到聚合物的全原子交联网络结构模型。本发明专利技术降低了仿真难度，简化了仿真过程，突破了传统的聚合物建模的局限性，实现大尺度、无定形、接近真实链构象的聚合物全原子的交联网络结构建模。建模。建模。

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物建模仿真方法及应用


[0001]本专利技术涉及高分子材料仿真
，具体而言，涉及一种聚合物建模仿真方法及应用。

技术介绍

[0002]聚合物的局部原子空间排布受到杂化轨道影响而具有一定的几何构型，然而聚合物分子链的构象具有随机性，且不具备周期性和长程有序性，但是分子链构象又符合一定的统计学分布，因此，对聚合物的结构建模提出了挑战。聚合物传统建模方法为有序规则生成法，比如Materialstudio的build polymer模块采用该方法，生成的聚合物模型为直线型结构，与真实的分子链无规结构相差较大，尤其是不能够生成具有交联网络的热固性聚合物树脂材料的模型。又因交联聚合物的交联网络结构受到加工条件影响，需要在建模过程中考虑聚合反应过程，但由于聚合物尺寸大(分子量1～100万g/mol)，无法直接采用全原子模型模拟聚合反应过程，因此，现阶段无法突破传统的聚合物建模的局限性实现对聚合物的自动化建模仿真。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的问题是如何实现聚合物的自动化建模仿真。
[0004]为解决上述问题，本专利技术提供一种聚合物建模仿真方法，包括如下步骤：
[0005]步骤S1：获取单体的全原子结构模型，建立所述单体的粗粒化结构模型，并获取所述粗粒化结构模型的力场；
[0006]步骤S2：利用聚合反应模型描述所述粗粒化结构模型的聚合反应过程，结合蒙特卡洛随机反应方法计算并调控聚合反应程度，待聚合反应结束后，进行结构松弛，得到聚合物粗粒化的交联网络模型；
>[0007]步骤S3：对所述聚合物粗粒化的交联网络模型进行反向映射，结构松弛后得到聚合物的全原子交联网络结构模型。
[0008]进一步地，步骤S1中，所述获取单体的全原子结构模型的方式包括：利用建模方法获取，程序创建或从数据库中读取。
[0009]进一步地，步骤S1中，所述获取所述粗粒化结构模型的力场的方式包括：利用Martini模型或反向迭代玻尔兹曼方法。
[0010]进一步地，步骤S2中，所述利用聚合反应模型描述所述粗粒化结构模型的聚合反应过程，结合蒙特卡洛随机反应方法计算并调控聚合反应程度，包括：
[0011]在分子动力学中描述所述粗粒化结构模型的聚合反应过程，结合蒙特卡洛随机反应方法，通过获取聚合反应的反应速率计算聚合反应的反应几率，通过调控所述反应速率调控聚合反应的反应几率。
[0012]进一步地，所述聚合反应的反应几率的计算公式为：
[0013]聚合反应的反应几率＝τ*Sp/[R*]，
[0014]其中，τ是进行蒙特卡洛判断的时间间隔，Sp是反应速率，[R*]是活性位点浓度。
[0015]进一步地，所述获取反应速率的方式包括：
[0016]实验获取或通过量子化学计算的反应能垒推导。
[0017]进一步地，所述调控所述反应速率的方式包括：
[0018]对影响聚合反应反应速率的参数进行调控，所述参数至少包括：反应时间、反应温度和压力变化。
[0019]进一步地，步骤S3中，所述对所述聚合物粗粒化的交联网络模型进行反向映射还包括：
[0020]插入粗粒化粒子代表的全原子基团进行反向映射时，利用能量最小化算法选择插入片段的取向和位置。
[0021]本专利技术所述的聚合物建模仿真方法相对于现有技术的优势在于，本专利技术通过将聚合反应前单体的全原子结构粗粒化后进行聚合反应仿真，降低仿真难度，简化仿真过程，聚合反应过程中结合蒙特卡洛随机反应方法计算并调控聚合反应程度，利用与实际反应过程相匹配的方法提高了仿真的准确性，保证仿真结果的真实性，再将聚合反应后得到聚合物粗粒化的交联网络模型进行反向映射，得到聚合物的全原子交联网络结构模型，突破了传统的聚合物建模的局限性，实现大尺度、无定形、接近真实链构象的聚合物全原子的交联网络结构建模。
[0022]本专利技术还提供了一种聚合物建模仿真方法的应用，将如上所述的聚合物建模仿真方法用于聚合物材料设计领域。
[0023]进一步地，所述聚合物材料包括聚酰亚胺、聚氰酸酯、聚芳炔和聚环氧乙烷。
[0024]本专利技术所述的聚合物建模仿真方法的应用相对于现有技术的优势与所述聚合物建模仿真方法相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例中的聚合物建模仿真方法的流程图；
[0026]图2为本专利技术实施例中的环氧乙烷单体的全原子结构模型；
[0027]图3为本专利技术实施例中的环氧乙烷单体的粗粒化结构模型；
[0028]图4为本专利技术实施例中的聚合反应模型示意图；
[0029]图5为本专利技术实施例中的聚合物粗粒化的交联网络模型；
[0030]图6为本专利技术实施例中的聚合物的全原子交联网络结构模型。
具体实施方式
[0031]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施例做详细的说明。
[0032]需要说明的是，在本申请实施例的描述中，术语“一些具体的实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本专利技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0033]本专利技术提供一种聚合物建模仿真方法，包括如下步骤：
[0034]步骤S1：获取单体的全原子结构模型，建立单体的粗粒化结构模型，并获取粗粒化结构模型的力场；
[0035]步骤S2：利用聚合反应模型描述粗粒化结构模型的聚合反应过程，结合蒙特卡洛随机反应方法计算并调控聚合反应程度，待聚合反应结束后，进行结构松弛，得到聚合物粗粒化的交联网络模型；
[0036]步骤S3：对聚合物粗粒化的交联网络模型进行反向映射，结构松弛后得到聚合物全原子的交联网络结构模型。
[0037]本专利技术实施例所述的聚合物建模仿真方法通过将聚合反应前单体的全原子结构粗粒化后进行聚合反应仿真，降低仿真难度，简化仿真过程，聚合反应过程中结合蒙特卡洛随机反应方法计算并调控聚合反应程度，利用与实际反应过程相匹配的方法提高了仿真的准确性，保证仿真结果的真实性，再将聚合反应后得到聚合物粗粒化的交联网络模型进行反向映射，得到聚合物的全原子交联网络结构模型，突破了传统的聚合物建模的局限性，实现大尺度、无定形、接近真实链构象的聚合物全原子的交联网络结构建模。
[0038]具体地，由于聚合物的分子量大，导致聚合体的微观尺寸过大，难以直接采用全原子模型模拟聚合反应过程，因此，步骤S1中，利用粗粒化简化聚合物单体的结全原子结构，实现降低仿真难度，简化仿真过程。
[0039]步骤S2中，为了仿真出接近真实的聚合反应过程，结合了蒙特卡洛随机反应方法，通过计算引入聚合反应过程中的反应条件实现对聚合反应程度的调控，达到接近真实链构象的聚合物粗粒化的交联网络模型，实现对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚合物建模仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：获取单体的全原子结构模型，建立所述单体的粗粒化结构模型，并获取所述粗粒化结构模型的力场；步骤S2：利用聚合反应模型描述所述粗粒化结构模型的聚合反应过程，结合蒙特卡洛随机反应方法计算并调控聚合反应程度，待聚合反应结束后，进行结构松弛，得到聚合物粗粒化的交联网络模型；步骤S3：对所述聚合物粗粒化的交联网络模型进行反向映射，结构松弛后得到聚合物的全原子交联网络结构模型。2.根据权利要求1所述的聚合物建模仿真方法，其特征在于，步骤S1中，所述获取单体的全原子结构模型的方式包括：利用建模方法获取，程序创建或从数据库中读取。3.根据权利要求1所述的聚合物建模仿真方法，其特征在于，步骤S1中，所述获取所述粗粒化结构模型的力场的方式包括：利用Martini模型或反向迭代玻尔兹曼方法。4.根据权利要求1所述的聚合物建模仿真方法，其特征在于，步骤S2中，所述利用聚合反应模型描述所述粗粒化结构模型的聚合反应过程，结合蒙特卡洛随机反应方法计算并调控聚合反应程度，包括：在分子动力学中描述所述粗粒化结构模型的聚合反应过程，结合蒙特卡洛随机反应方法，通过获取聚合反应的反应速率计算聚合反应的反应几率，通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨剑群，荆宇航，徐晓东，魏亚东，李兴冀，李伟奇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：