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分子动力学 (MD) 仿真技术加速了可回收轮胎材料的开发和优化

赢创(Evonik)和巴斯夫(Schrödinger )的科学家们对添加剂和大环结构对反式聚八烯酰胺橡胶(TOR)的影响有了更深入的了解。

执行摘要

  • 准确预测了橡胶混合物体系的关键热物理和结构性质,例如玻璃化转变温度(Tg)、密度、自由体积和扩散系数
  • 研究了反式聚八烯酰胺橡胶(TOR)与不同交联剂和基础聚合物的互溶性
  • 深入理解了大环聚合物链对结构和热物理性质的影响
  • 加快了高性能橡胶配方的高效理性设计,并深入探讨了影响再生橡胶加工性能的关键因素

 

a)线性链和 b)分子量为 2000 的环状链在生产级 MD 模拟运行后的最终构象快照。
分子量为2000的a)线性链和b)大环链在生产级分子动力学模拟运行后的最终构型快照。1

 

挑战

反式聚辛烯酰胺橡胶(TOR),商业名称为VESTENAMER®,已被广泛用作轮胎添加剂,以改善轮胎橡胶的加工性能和可回收性。为了高效地将不同橡胶共硫化以获得更优的性能,了解TOR与橡胶配方中不同组分(包括交联剂和基础聚合物)之间的相互作用至关重要。 然而,对这些配方进行实验表征既耗时又耗费大量资源。

 

方法

分子建模 为新轮胎配方提供了替代冗长实验和漫长开发周期的经济方案。赢创(Evonik)和Schrödinger 的科学家通力合作,通过数字手段评估了TOR与各种交联剂及聚合物的互溶性,并研究了大环聚合物链对TOR性能的影响。 借助GPU加速的分子动力学 (MD) (MD)引擎,科学家们得以高速运行模拟,例如仅需数小时即可完成50纳秒的扩散计算。所有模型和模拟均采用Schrödinger 材料科学套件以及用于分子动力学(MD)的Desmond 软件,并按照以下流程进行:

图1. 模拟中使用的交联剂和聚合物的结构。
图1. 模拟中使用的交联剂和聚合物的结构。1

 

结果

该计算方法为各种聚合物/交联剂的相容性提供了新的见解,并对TOR体系的结构和热物理性能进行了准确评估,总结如右侧所示。该研究表明,数字分子模拟能够提供独特的见解,而这些见解在实验条件下难以获得,或通过实验研究成本过高。

本文介绍的模拟 方法和工作流程可轻松扩展,用于研究其他聚合物/交联剂体系。

摘要

  • SBR、NR 和 TOR 中交联剂的互溶性顺序为 TBzTD > SA > CBS > S8,这表明 S8 在这三种聚合物中的互溶性可能有限,通过计算混合能也证实了这一点。
  • 与SBR和NR相比,交联剂在TOR中的扩散性更强,从而能实现更好的交联效果
  • SBR、NR 和 TOR 彼此之间很可能互不相溶。这三种聚合物的混合物极有可能形成一个三phase 体系,这与实验研究结果一致。
  • 相互作用能和密度分析表明,在低交联剂浓度下,所有混合物均呈现理想混合状态
  • TOR大环化合物 可能会影响粘度及其他力学性能,并可能导致 TOR 的玻璃化转变温度降低

 

图2. 不同交联剂在TOR、NR和SBR中的预测扩散系数
图2. 不同交联剂在TOR、NR和SBR中的预测扩散系数

参考文献

  1. 利用分子模拟 评估添加剂和大环结构对反式聚辛烯酰胺橡胶(TOR)的影响 穆罕默德·阿蒂夫·法伊兹·阿夫扎尔、本杰明·J·科西亚、安德烈娅·R·布朗宁、托马斯·S·阿舍、亚历山大·帕舍、马修·D·霍尔斯 国际弹性体会议,2021年10月4日至7日,匹兹堡

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