분자동역학 시뮬레이션은 재활용 가능한 타이어 소재의 개발 및 최적화를 가속화합니다.

요약

• 고무 혼합물 시스템의 유리전이온도( 유리 전이 온도 ,_Tg), 밀도, 자유 부피, 확산 계수 등 주요 열물리적 및 구조적 특성을 정확하게 예측함
• 다양한 가교제와 기본 중합체를 사용한 트랜스폴리오크테나머 고무(TOR)의 혼화성 를 조사하였다.
• 거대고리형 고분자 사슬이 구조적 및 열물리적 특성에 미치는 영향에 대한 이해를 높였다
• 고성능 고무 배합의 합리적 설계과정을 가속화하고, 재활용 고무의 가공성에 영향을 미치는 주요 요인에 대한 통찰력을 제공하였다

과제

상업적으로 VESTENAMER®로 알려진 트랜스-폴리오크테나머 고무(TOR)는 타이어 고무의 가공성과 재활용성을 향상시키기 위한 타이어 첨가제로 널리 사용되어 왔다. 서로 다른 고무를 효율적으로 공동 가황하여 향상된 물성을 얻기 위해서는, 가교제와 기초 중합체를 포함한 고무 배합의 다양한 성분과 TOR 간의 상호작용을 이해하는 것이 매우 중요하다. 그러나 이러한 배합에 대한 실험적 특성 분석은 시간이 많이 소요되고 많은 자원을 필요로 한다.

접근 방식

분자모델링 이는 새로운 타이어 배합을 위한 장기간의 실험과 긴 개발 주기에 대한 경제적인 대안을 제공합니다. 에보닉(Evonik)과 켈러-헨켈( Schrödinger )의 과학자들은 협력하여 다양한 가교제와 고분자를 사용한 TOR의 확산 동역학( 혼화성 )을 디지털 방식으로 평가하고, 거대고리형 고분자 사슬이 TOR 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. GPU 가속 분자동역학 (MD) 엔진을 통해 과학자들은 확산 계산 50ns와 같은 시뮬레이션을 불과 몇 시간 만에 고속으로 실행할 수 있었습니다. 모든 모델링 및 시뮬레이션은 다음 절차에 따라 Schrödinger Materials Science Suite와 MD용 Desmond 를 사용하여 수행되었습니다:

결과

이 계산적 접근법은 다양한 고분자/가교제와 TOR 시스템 간의 호환성에 대한 새로운 통찰력을 제시했으며, 오른쪽에 요약된 바와 같이 TOR 시스템의 구조적 및 열물리적 특성에 대한 정확한 평가를 제공했다. 이 연구는 디지털 분자 시뮬레이션이 실험 환경에서는 쉽게 얻기 어렵거나 경제적으로 연구하기 힘든 독창적인 통찰력을 제공할 수 있음을 보여주는 사례이다.

본 연구에서 제시된 시뮬레이션 방법과 워크플로는 다른 고분자/가교제 시스템을 연구하는 데에도 쉽게 확장 적용될 수 있다.

요약

• 혼화성 에 따른 SBR, NR 및 TOR의 가교제 순서는 TBzTD > SA > CBS > S8이며, 이는 S8이 세 가지 중합체 모두에서 제한적인 가교 형성 능력( 혼화성 )을 가질 가능성이 높음을 시사한다. 이는 혼합 에너지 계산 결과에서도 입증된다.
• 가교제는 SBR 및 NR에 비해 TOR에서 더 많이 확산되므로 더 우수한 가교 형성이 가능합니다.
• SBR, NR 및 TOR는 서로 혼합되지 않을 가능성이 높습니다. 이 세 가지 고분자를 혼합하면 3phase 계 시스템이 형성될 가능성이 가장 높으며, 이는 실험 연구 결과와 일치합니다.
• 상호작용 에너지 및 밀도 분석 결과, 모든 혼합물에서 가교제 농도가 낮을 때 이상적인 혼합이 이루어지는 것으로 나타났다.
• TOR 매크로사이클은 점도는 물론 기타 기계적 특성에도 영향을 미칠 가능성이 있으며, TOR의 낮은 유리 전이 온도 에 기여할 수 있다.