高分子物理运动三维虚拟实现设计与研究

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Computer Simulation of Polymer Thermal Movement Design and Simulation Parameters

Yan Xiujuan

（西安科技大学，西安 710054）

（Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China）

摘要： 高分子热运动是高聚物的结构与性能间的内在联系的桥梁，它从本质上揭示出不同高分子结构与性能之间的关系。利用计算机仿真技术将高分子热运动进行仿真实现，是将微观的高分子运动形态和理论知识通过计算机手段使其形象化、视觉化。将高分子热运动的特点和高分子溶液运动的特点通过计算机仿真技术进行模拟实现。这将有助于进一步认识和了解高分子热运动，也有助于高分子材料专业的相关教学。

Abstract: The performance of polymer is the performance of macro-molecular motion. The thermal movement of polymer link structure and properties as a bridges, it reveals the nature of different relationships between polymer structure and properties. Using computer simulation technology in the polymer thermal simulation campaign is to visualize micro-movement of the polymer morphology and theoretical knowledge. The article mainly discussed characteristics of thermal movement and the characteristics of polymer solution movement through the computer simulation technology.It is helpful to further aware and understand polymer thermal motion and also benefit for polymer materials related to the teaching profession. It is also a modern manifestation of the direction in scientific research the field of cross-disciplinary.

关键词： 高分子热运动 计算机仿真 三维虚拟实现

Key words: polymer thermal motion；computer simulation；three-dimensional virtual reality

中图分类号：TP31 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）32-0315-02

1绪论

高聚物的性能是分子运动的宏观表现。了解分子运动的规律可以从本质上揭示出不同高分子纷繁复杂的结构与千变万化的性能之间的关系。高聚物的结构没有改变，只是所处的温度不同，分子运动的状况也不同，材料所表现出来的宏观物理性能就大不相同。因此高聚物的性能是分子运动的宏观表现。为了研究高聚物的各种物理性质，仅仅了解高聚物的微观结构是不够的，还须弄清其分子运动的规律。只有分子运动的解释，才可能建立起高聚物的结构与性能间的内在联系。分子运动是联系微观结构和各种宏观性质的桥梁。

研究高分子的一般运动以及高分子溶液的运动性质。主要研究内容包括：

①高分子运动的多重性；

②高分子运动的时间依赖性；

③高分子热运动与温度有关；

④高分子溶液运动。

2高分子热运动的参数设计

2.1 高分子热运动参数的选择

①均方末端距■

均方末端距的定义为：

■■h■■/Q（1）

式中hj为分子j的末端距，Q为所研究的分子数。

②均方旋转半径■

■■■■（2）

其中Si是第i个质量单元到到分子链重心O的距离。

③松弛时间τ

松弛时间与温度的关系符合Eyring理论，即：

τ=τ0eE/RT（3）

其中R为气体常数。T为热力学温度，E为松弛过程中所需要的活化能，τ0为常量。

2.2 主要参数实现和计算

2.2.1 主要参数的实现和参考数据

①仿真聚合物的选择在高分子热运动计算机仿真实现选择高聚物种类：聚乙烯PE（Polyethylene）、聚丙烯PP（Polypropylene）、聚苯乙烯PS（Polystyrene）和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA（poly(methyl methacrylate)）。

②仿真聚合物近程结构相关参数仿真聚合物近程结构相关参数如下表所示：

③温度形变曲线

④聚苯乙烯（PS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的松弛转变（见表3）

2.2.2 高分子热运动计算机仿真实现中相关计算

①聚乙烯无扰链扩张体积计算

设含有1000个碳原子的聚乙烯链，C∞=7.4

其均方末端距为：

■=C■nl■=7.4×10■×0.154×10■cm■=17.55×10■cm■

均方回转半径为：S■=■/6=2.92×10■cm■

扩张体积半径为：r■=■=1.71×10■cm

扩张体积为：Ve=■π×1.71×10■cm■=20.95×10■cm■

一根该聚乙烯链的质量为：M=■=0.232×10■g

聚乙烯的密度为0.92，则扩张体积中聚乙烯的体积为：

V■=0.252×10■cm■

扩张体积中聚乙烯的体积分数为：Φ■■=■=0.020

同理可得：

②聚丙烯无扰链扩张体积计算设含有15000个碳原子的聚丙烯链，即由5000个链节。C∞=5.9。扩张体积中聚丙烯的体积分数为：Φ■■=■=0.023

③聚苯乙烯无扰链扩张体积计算设含有10000个碳原子的聚苯乙烯链，即由5000个链节。C∞=10.3。扩张体积中聚苯乙烯的体积分数为：Φ■■=■=0.0964

④聚氯乙烯无扰链扩张体积计算设含有10000个碳原子的聚氯乙烯链，即由5000个链节。C∞=6.7。扩张体积中聚氯乙烯的体积分数为：Φ■■=■=0.0735

⑤聚甲基丙烯酸甲酯无扰链扩张体积计算设含有10000个碳原子的聚甲基丙烯酸甲酯链，C∞=7.3。扩张体积中聚甲基丙烯酸甲酯的体积分数为：Φ■■=■=0.301

3仿真试验及可视化实现

3.1 高分子热运动仿真模型设计及仿真实现

以PVC链节旋转模型设计为例

高分子的运动单元――链节，做为高分子运动的一个基本的单元。以高聚物链节运动的特点来作为设计（即帧的设计）的主要依据。该仿真实现步骤如下：

3.1.1 根据尺寸制作出聚氯乙烯的分子链结构模型取16个结构单元作为计算机仿真模拟的对象，具体原子尺寸为：根据原子半径比例关系确立制作聚氯乙烯模型的尺寸为：碳：20；氢：10；氯：25；根据计算：10000个碳原子的均方末端距为：■=17.55×10-12cm2

由■=■=■，再根据比例放大取模型的分子链段长度（均方末端距■）■根据聚氯乙烯的分子式■制作其模型图。（图2）

3.1.2 帧设计对象选取选取2个结构单元作为动画设计对象（即链节）。（图3）

3.1.3 关键帧的设计以时间作为帧的设计坐标。根据链节的运动特点，其在绕旋转碳原子旋转时与温度有紧密关系的，在这里只研究他的运动状态和形式，其的运动节奏就不于考虑。这里取每250帧旋转角度90°。

①制定帧的设计范围选取1000帧；②创建关键帧，并输入选定对象的变化值；③选择一个视图，选定对象。在弹出的对话框选取旋转并点击多面的标志，在弹出的输入对话框“旋转变换输入”对话框中输入旋转的角度；④然后调整模型中各个动画元素的位置，点击窗口下方帧设计区的钥匙按钮。这样就创建好了一个关键帧。然后按照同样的方法设计多个关键帧。

3.1.4 生成动画文件的生成制定动画时间的长短。通过“时间配置”菜单修改动画持续时间。

4结论

本次仿真设计并完成了完成：PP侧基转动动画模型设计；PVC侧基转动动画模型设计；Pp侧基转动动画模型设计；PVC链节转动动画模型设计；PVC整链运动动画模型设计；PVC的温度形变曲线中分子链运动动画模型设计；PMMA松弛转变中分子链运动动画模型设计等计11个高分子物理运动三维模型。

研究高分子热运动情况，有助于了解高分子聚合物的各种相态形成、变化的本质，更是有助于掌握各种高分子材料的使用规律。利用计算机仿真技术来仿真实现高分子热运动，是将微观的高分子运动通过计算机手段使其宏观表现出来，将抽象的东西变为感性的，有助于进一步认识和了解高分子运动。

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基金项目：陕西省教育厅项目（09JK148）；陕西省软科学项目（2010KRM71）；西安科技大学培育基金项目（2009038）；西安科技大学高教项目（GJY-2009-YB-7）。

作者简介：延秀娟（1976-），女，陕西西安人，西安科技大学管理学院，助理工程师，硕士，研究方向为模式识别，图像处理。