基于分子动力学与计算流体动力学的聚合物拓扑对挤出性能影响的跨尺度建模
软凝聚态物质
2025-05-26 v1 计算物理
摘要
理解聚合物拓扑如何影响熔体挤出性能对于推动基于挤出的增材制造材料设计至关重要。本文构建了一种自下而上的跨尺度建模框架，将粗粒度分子动力学（CGMD）与连续尺度计算流体动力学（CFD）集成，定量评估聚合物结构对挤出性能的影响。通过变更主链长度、侧链长度、接枝密度、接枝块比例及接枝-未接枝段的周期性，系统设计了一系列分支聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚合物。CGMD 模拟计算零剪切粘度和松弛时间，这些参数被引入 Phan-Thien-Tanner（PTT）模型中，用于预测通过打印喷嘴的 PDMS 压降。定性分析表明，聚合物接枝块集中分布的材料其零剪切粘度显著高于随机分支结构，侧链惯性驱动更长的松弛时间。然而对于未打结或弱打结的 PDMS，松弛时间仍在纳秒级，剪切稀释和弹性效应可忽略不计。因此，零剪切粘度成为挤出性能的主要决定因素。该跨尺度建模方法为设计具有特定拓扑结构的可挤出聚合物材料提供了预测框架。
引用
@article{arxiv.2505.17396,
title = {Cross-scale Modeling of Polymer Topology Impact on Extrudability through Molecular Dynamics and Computational Fluid Dynamics},
author = {Yawei Gao and Jan Michael Carrillo and Logan T. Kearney and Polyxeni P. Angelopoulou and Nihal Kanbargi and Arit Das and Michael Toomey and Bobby G. Sumpter and Joshua T. Damron and Amit K Naskar},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.17396},
year = {2025}
}