[发明专利]一种对阻燃剂、阻燃协效剂在聚合物基体中分散行为的预测方法

摘要

本发明是一种对阻燃剂、阻燃协效剂在聚合物基体中分散行为的预测方法。包括建立阻燃聚合物材料的分子模型以及聚合物/无机阻燃剂体系或聚合物/无机阻燃剂/阻燃协效剂体系层结构模型，采用Flory-Huggins模型得到聚合物/无机阻燃剂体系或聚合物/无机阻燃剂/阻燃协效剂体系的相容性行为，通过分子动力学方法计算聚合物/无机阻燃剂体系或聚合物/无机阻燃剂/阻燃协效剂体系层结构的结合能和径向分布函数，从而确定阻燃剂、阻燃协效剂对聚合物阻燃材料的微观相互作用的影响。通过耗散粒子动力学方法分析聚合物/无机阻燃剂体系或聚合物/无机阻燃剂/阻燃协效剂体系的相态分布和分散行为。

主权项

1.一种对阻燃剂、阻燃协效剂在聚合物基体中分散行为的预测方法，其特征在于该方法的步骤为：第一步，建立聚合物、无机阻燃剂和阻燃协效剂的分子模型以及聚合物/无机阻燃剂体系或聚合物/无机阻燃剂/阻燃协效剂体系层结构模型；其具体步骤为：1）建立聚合物、无机阻燃剂和阻燃协效剂的分子结构；2）采用非周期性分子体系的构象空间的方法，搜索能量较低的合理构象样本；对建立的聚合物、无机阻燃剂和阻燃协效剂的分子结构的二面角扭转能分别进行排列组合计算，分别得到三种分子的能量最优化构象；3）基于旋转异构态(RIS)模型，采用蒙特卡洛方法分别建立聚合物和无机阻燃剂的若干个无定形结构，并通过分子力学的方法得到最低能量的构象；4）建立聚合物/无机阻燃剂层结构模型，上面留有2nm真空层，并将阻燃协效剂分子插入聚合物/无机阻燃剂层结构中间，得到聚合物/无机阻燃剂/阻燃协效剂体系层结构模型；5）采用分子力学方法对所建立的聚合物/无机阻燃剂体系或聚合物/无机阻燃剂/阻燃协效剂体系层结构模型进行能量最小化计算，从而优化所建立的结构模型；第二步，基于两组份体系混合热动力学和相分离的非格点计算的Flory-Huggins模型，在温度为298K，COMPASS力场下，计算第一步中聚合物、无机阻燃剂和阻燃协效剂的分子结构的任意两组分的Flory-Huggins相互作用参数；1）计算聚合物/无机阻燃剂的Flory-Huggins相互作用参数；2）计算聚合物/阻燃协效剂的Flory-Huggins相互作用参数；3）计算无机阻燃剂/阻燃协效剂的Flory-Huggins相互作用参数；第三步，采用基于牛顿力学的分子动力学方法，即在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质的方法，对第一步中的聚合物/无机阻燃剂体系或聚合物/无机阻燃剂/阻燃协效剂体系层结构模型进行计算；计算过程为：先对聚合物/无机阻燃剂体系或聚合物/无机阻燃剂/阻燃协效剂层结构模型进行每隔50K，从300K升温到600K再降温到300K的NPT系综下600ps五个循环的退火处理，以消除构建模型中的局部不合理结构；然后在聚合物加工温度下，进行500ps NVT系综的MD模拟，每1ps保存一次数据，后50ps用于分析性能；以上过程中，温度控制采用Andersen控温方法，压力控制Berendsen控压方法，各分子起始速度按Maxwell分布取样、用Velocity Verlet算法进行求解；范德华（vdw）和静电作用（Coulomb）分别用Atom-based和Ewald方法，非键截取半径0.95nm，选择COMPASS力场；第四步，计算第三步中最后50ps的聚合物的能量、计算第三步中最后50ps的无机阻燃剂的能量和计算第三步中最后50ps的阻燃协效剂的能量；所述的能量是指总能量、键能、非键能以及非键能的分项，非键能的分项为范德华能和静电能，分别取平均值，通过公式（1-3）计算其结合能；其中，E_binding为给定两体系的结合能，E_inter为给定两体系的相互作用能，E_T为给定两体系的总能量，以式1为例，E_{binding(聚合物-阻燃剂)}为聚合物与阻燃剂之间的结合能，E_{inter(聚合物-阻燃剂)}为聚合物与阻燃剂之间的相互作用能，E_{T(聚合物-阻燃剂)}为聚合物和阻燃剂的总能量，E_聚合物和E_阻燃剂分别为聚合物和阻燃剂的能量；第五步，计算第三步中最后50ps的聚合物与无机阻燃剂之间的径向分布函数，将聚合物与无机阻燃剂分别当做质点，以质点为圆心，计算无机阻燃剂在聚合物距离为r（0≤r≤2nm）处出现的概率分布；第六步，采用耗散粒子动力学DPD方法计算阻燃剂、阻燃协效剂在聚合物基体中分散行为；该方法是非格子模型介观模拟技术，囊括粒子群在连续的空间和间断的时间中运动；将作用在DPD粒子上的力等效为保守力、耗散力和随机力这三种力的和；DPD与传统的MD模拟方法相比，其主要的优势在于它允许更大的时间尺度和长度尺度；根据公式（4），将第二步中得到的Flory-Huggins相互作用参数转化为耗散粒子动力学计算的输入参数；a_ij=a_ii+3.27χ_ij   (4)其中，a_ij为珠子i和j之间的排斥参数，χ_ij为体系i和j之间的Flory-Huggins相互作用参数；将聚合物的重复单元简化为1个珠子，而无机阻燃剂和阻燃协效剂珠子个数则分别根据聚合物珠子的体积设定；根据阻燃剂配方中各组分的含量，设定介观模拟中各组分含量比；模拟中所用的盒子尺寸是30×30×30，网格间隔为1.0，模拟温度按照聚合物体系实际加工温度计算，例如聚丙烯PP体系为1.52κ_BT（κ_B为玻尔兹曼常数，T为温度），模拟步数为1000000，时间步长0.005；最后通过耗散粒子动力学得到聚合物/无机阻燃剂体系或聚合物/无机阻燃剂/阻燃协效剂体系的相态分布和分散情况。