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

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

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：

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