高分子材料之多尺度模擬設計平台

 

刊登日期:2017/1/5
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電腦模擬不只是理論物理學家手中的武器,也已經逐步成為實驗化學家與實驗物理學家及材料科學發展不可少的工具。台灣石化高分子產業的發展,在 2015年國內化工材料產業總產值達新台幣 3.43兆(佔整體產業 26.8%),為整體經濟發展不可或缺之基磐工業(圖一)。

整體而言,目前產品的位階大多為泛用塑橡膠,未來產品位階將以追求耐熱、耐候與高機械強度等特性為提升重點。如何從泛用塑橡膠產品,朝向高品質與高附加價值的產品位階佈局,是整個產業未來亟需解決的關鍵問題。針對高分子材料在高階產品的應用需求與挑戰,如圖二所示,在LED散熱材料、高導熱材料、高性能孔隙材等,目標在提升材料的熱傳導特性;在3C封裝材料、輕量化車用材料、生質材料等,研發重點在如何提升材料機械強度不足的問題。

上述等產業問題,均可透過高分子材料之多尺度模擬設計平台來輔助開發,能協助研發人員拓展分子設計的想像空間,減少試誤( Trial and Error )的次數,以加速高分子材料設計。在這方面的研究技術,工研院材化所多尺度模擬研究室團隊,已建立相關平台研發能量,以支援國內新材料、綠色環保、循環經濟、ICT光電材料、生醫與高值民生化工等,是未來重要新興產業所不可或缺的技術能量,協助探討高分子物性設計的發展,例如:功能性材料、光學材料、生醫材料、生質材料、塗料、高機能複合材料等應用領域。


圖二、高階產品的應用需求與挑戰
圖二、高階產品的應用需求與挑戰

 
高分子材料多尺度模擬理論
對於高分子相關的應用, 如圖三所示,針對不同的尺度有其相應的理論基礎:由右上到左下依序是連續體學、多相動力學、介面動力學、蛇行動力學、粗粒化分子動力學和分子動力學等。以下將針對微觀分子動力、介觀模擬與流變模擬,概略說明原理與可進行的物性模擬的案例說明。

微觀尺度之分子動力模擬,是依照古典力學的計算法則,假設系統是由N個分子組成的系統,每一質點瞬間受力Fi與位能U之梯度關係如式(1)表示:


分子動力模擬

分子動力計算中,決定原子間之作用力向量,係利用原子間的勢能函數,亦有稱之為力場,各項表示式如表一所示。
 
高分子材料之模擬輔助開發實例

1. 高分子材料之快速物性預測技術
高分子材料之快速物性預測( QSPR ),是利用半經驗方法中Bicerano的連接指數方法及資料庫運算,輸入高分子單體或分子式結構,可推算高分子的各種物性,並在短時間內以列表方式輸出多數的物性,如表三所示(11)。可以快速優先獲得主要的高分子材料性質預測,舉凡熱學、光學、電氣、化學、機械、加工等高分子材料性質。

接下來用一個高分子材料物性預測的驗證案例說明技術能量,以 PC、PS、PP、BR、PBT 之熱塑性高分子密度、熱焓、介電常數、玻璃轉移溫度之物性計算驗證與設計,分別與實驗值驗證。獲得一致的結果,如圖四所示,精準度誤差小於5%以內。整體而言,材料設計開發者可應用此技術並且規劃符合化學機制下的任何新高分子結構,進行大量的篩選工作,不受限於藥劑與材料的取得限制,或是合成實驗所需耗費的人力、物力與時間,加速材料開發與擴大研發能量。


圖四、各材料之(a)密度;(b)定壓熱容量;(c)介電常數;(d)玻璃轉移溫度驗證結果
圖四、各材料之(a)密度;(b)定壓熱容量;(c)介電常數;(d)玻璃轉移溫度驗證結果

 
產業應用機會及合作
工研院材化所佈建的高分子材料多尺度模擬平台技術,希望協助產業界導入多尺度模擬與材料物性設計的能力,未來可能的合作範疇如下:
① 材料物性快速預測技術( QSPR ):
透過分子結構或高分子單體結構,可預測熱學、光學、電性、化學、機械、加工等之99種純物質材料物性。如:密度、熱膨脹係數、玻璃轉移溫度、溶解度參數、表面張力、剪切彈性、零剪切黏度等。
③材料界面動態設計:
針對各類高分子、混合高分子、共聚合高分子、高分子複材、高分子溶液、膠體粒子等材料之界面特性、相分離、自組裝結構與型態控制預測。
⑤分散構造模擬:
對各類高分子、共聚合高分子、混合高分子、高分子複材、高分子溶液等…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:黃天榮、李正光 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」361期,更多資料請見下方附檔。


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