[论文解读] Kremer-Grest models for universal properties of specific common polymer species

Carsten Svaneborg, Hossein Ali Karimi‐Varzaneh+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2016

Rheology and Fluid Dynamics Studies参考文献 6被引用 9

一句话总结

本论文通过调节链刚性以匹配库恩段统计特性，将Kremer-Grest粒子-弹簧模型适配于特定聚合物种类，以准确表征其普遍性质。通过校准每条链及每立方库恩体积的库恩段数量，该模型在充分平衡的缠结熔体中与实验测得的缠结模量高度一致，从而实现时间单位与物理单位的可靠映射。

ABSTRACT

The Kremer-Grest (KG) bead-spring model is a near standard in Molecular Dynamic simulations of generic polymer properties. It owes its popularity to its computational efficiency, rather than its ability to represent specific polymer species and conditions. Here we investigate how to adapt the model to match the universal properties of a wide range of chemical polymers species. For this purpose we vary a single parameter originally introduced by Faller and Müller-Plathe, the chain stiffness. Examples include polystyrene, polyethylene, polypropylene, cis-polyisoprene, polydimethylsiloxane, polyethyleneoxide and styrene-butadiene rubber. We do this by matching the number of Kuhn segments per chain and the number of Kuhn segments per cubic Kuhn volume for the polymer species and for the Kremer-Grest model. We also derive mapping relations for converting KG model units back to physical units, in particular we obtain the entanglement time for the KG model as function of stiffness allowing for a time mapping. To test these relations, we generate large equilibrated well entangled polymer melts, and measure the entanglement moduli using a static primitive-path analysis of the entangled melt structure as well as by simulations of step-strain deformation of the model melts. The obtained moduli for our model polymer melts are in good agreement with the experimentally expected moduli.

研究动机与目标

• 将Kremer-Grest模型的应用范围从通用聚合物行为扩展至具体常见聚合物种类。
• 通过引入可调的链刚性参数，解决标准KG模型在表征真实聚合物物理行为方面的局限性。
• 校准模型，使其库恩段统计特性与真实聚合物（如聚苯乙烯、聚乙烯和聚二甲基硅氧烷）相匹配。
• 推导KG模型单位与物理单位之间的映射关系，特别是缠结时间的映射。
• 通过静态与动态模拟方法，将校准后的模型与实验缠结模量进行验证。

提出的方法

• 通过调节Faller和Müller-Plathe最初提出的单一刚性参数，以调控KG模型中的链刚性。
• 使KG模型与真实聚合物种类在每条链及每立方库恩体积的库恩段数量上保持一致。
• 对充分平衡的高缠结度聚合物熔体进行大规模分子动力学模拟。
• 应用静态原始路径分析，从熔体构型中提取缠结结构。
• 通过施加阶跃应变形变模拟，动态测量缠结模量。
• 推导KG模型刚性参数与缠结时间之间的函数关系，以实现时间单位的映射。

实验结果

研究问题

• RQ1 Kremer-Grest模型能否通过系统性调节，重现特定真实聚合物种类的普遍结构与力学性质？
• RQ2 在KG模型中调节链刚性如何影响其与实验缠结模量的一致性？
• RQ3 需要何种映射关系才能将KG模型单位转换为物理单位，特别是缠结时间？
• RQ4 静态原始路径分析与动态阶跃应变模拟在校准模型中是否能得出一致的缠结模量？
• RQ5 校准后的KG模型能否准确表征包括聚苯乙烯、聚乙烯和聚二甲基硅氧烷在内的多种聚合物？

主要发现

• 校准后的KG模型在包括聚苯乙烯、聚乙烯和聚二甲基硅氧烷在内的多种聚合物种类中，与实验预期的缠结模量高度一致。
• 通过匹配每条链及每立方库恩体积的库恩段统计特性，确保了对普遍聚合物性质的准确表征。
• 推导出的映射关系可将KG模型的时间单位转换为与刚性相关的物理缠结时间。
• 静态原始路径分析与动态阶跃应变模拟得出的缠结模量一致，验证了模型的可靠性。
• 该模型仅通过极少的参数调节，即成功捕捉了高度缠结聚合物熔体的力学响应。