高分子混材之多尺度電腦模擬：材料世界網

黃齡嬅、巫慶鴻、華繼中／中正大學化工系；黃天榮／工研院材化所

高分子混材於現今化學與材料相關產業具有重要的應用。由於混材之間不相容的特性，在混煉加工過程中，當不同熱與應力歷程的作用下，可能會產生不同的微相型態以及最終的複材性質。傳統的研發模式大多仰賴簡易的末端分析與嘗試-錯誤的策略，對於混材於加工過程中所呈現之多尺度微結構、型態、流變性質的掌握相對不足。本文以工業上具代表性之混材Nylon 6/ACM為例，闡述如何利用多尺度電腦模擬技術作為相關程序設計的可行性與挑戰，以及未來可能發展的方向。其中所涵蓋的電腦模擬技術包括全原子模擬、粗粒化分子模擬、商用軟體的介觀加工性質模擬。整個模擬過程不需可調參數，因此具有絕對的預測能力。

【內文精選】

前言

高分子混材(Polymer Blend)具有廣泛的科技與工業用途。混材製作的主要原理為利用兩種或兩種以上高分子與彈性體材料，經由機械螺桿之熱混煉形成特定微相型態以及物理與機械性質。相比於單一成分高分子材料，高分子混材除了可以進一步改善材料所需之流變、機械與其他物理性質，從經濟成本的觀點，相較於研發全新高分子材料而言，其整體開發以及製造成本與風險相對較低，相關技術亦可作為回收或重複利用高分子材料等途徑。單一成分高分子系統一般而言以高分子鏈纏結(Entanglement)為主要的物理特色；高分子混材系統則以成分間不完全相容的(Immiscible)屬性造就特定微相型態。本文簡述利用多尺度電腦模擬(Multiscale ComputerSimulation)技術作為相關程序設計的可能性與挑戰。

多尺度模擬技術概述

常用於高分子材料領域的模擬技術與理論如圖一所示，包含量子力學模擬(QM)、分子動態模擬(MD)、粗粒化分子模擬(CGMD)、滑動鏈段(Slip-link)模型、連續體模型(Continuum Model)與平均場理論(Mean-field Theory)，橫跨微觀、介觀與巨觀廣尺度層級。前述個別模擬技術適合不同的應用與尺度範圍：量子化學計算可用於計算分子的吸收/放射光譜、電子組態與能階等性質，此外亦可應用於分子鍵結勢能的計算，提供分子模擬所需的勢能參數。分子動態模擬可用以分析軟物質的奈米結構、界面性質、分子間徑向分布函數等靜態性質，以及鬆弛時間、擴散係數、自相關函數等動態性質。粗粒化模型則是透過映射(Mapping)技術建立超原子單元，以提升計算的尺度與速度，用以探討高分子單分子或聚集體等性質。然而目前以分子理論為基礎的電腦模擬技術，其整體運算效率於接近微米尺度的應用仍有很大的限制。平均場與連續體學的理論雖然可以協助解決部分議題，如流場與加工程序的模擬，但大都無法取得與高分子材料化學及結構屬性上的直接聯結。為此，如何利用多尺度模擬技術探討高分子混材的加工性質，為具有挑戰性與迫切的議題。在以下的案例中，將介紹相關應用於目前主要的突破以及仍待解決的議題。

圖一、多尺度模擬技術與理論模型

多尺度模擬於高分子混材應用案例

高分子混材於加工過程中之流變與型態性質，具有複雜的記憶效應以及廣尺度的微結構特徵，相關的分析技術明顯超出一般單成分高分子材料系統分析模式的範疇。另一方面，即時的混材性質也很難利用傳統的實驗分析取得，因此過去大多的研發模式仍相當程度仰賴嘗試-錯誤法(Trial-and-Error)的經驗法則。具有化學結構針對性以及無可調參數（材料參數值原則上皆可事先決定）之多尺度電腦模擬技術，在適當的條件下，可系統性應用於解析高分子混材在不同應力與熱歷程中微相型態與流變性質的發展情形，據此建立混材流變-微結構關連性的理論基礎，並與終端實驗分析的結果作結合。圖二為相關模擬技術的概覽，以工業用高分子尼龍系塑膠(Nylon 6)與聚酯橡膠(ACM)之混材Nylon 6/ACM為例，說明模擬技術的建立與初步結果的分析。首先利用…此為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。

1. 材料參數取得

雙成分高分子混材加工性質模擬所需要的材料參數，包括個別材料之纏結分子量(M_e)、平台模塑值、與單位鬆弛時間(τ₀)等流變參數，以及兩成分間的相對摩擦係數(ζ )與作用力參數(χ)，如圖三(c)所示。其中流變參數原則上可藉由實驗量測並經過適當理論擬合取得，如圖三(a-b)所示，此外，亦可直接利用粗粒化模擬的預測結果。然而，實際量測過程中，經常受限於儀器探測尺度、操作溫度與材料特性等變因的影響，相對而言其長期的優勢不如模擬技術所具備的彈性與準確性…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。