Predicting Young’s Modulus of Linear Polyurethane and Polyurethane–Polyurea Elastomers: Bridging Length Scales with Physicochemical Modeling and Machine Learning

聚脲 弹性体 材料科学 单体 聚氨酯 聚合物 模数 桥接(联网) 高分子科学 复合材料 生物系统 计算机科学 计算机网络 生物
作者
Joseph Pugar,Calvin Gang,Christine S. Huang,Karl W. Haider,Newell R. Washburn
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (14): 16568-16581 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acsami.1c24715
摘要

Predicting the properties of complex polymeric materials based on monomer chemistry requires modeling physical interactions that bridge molecular, interchain, microstructure, and bulk length scales. For polyurethanes, a polymer class with global commercial and industrial significance, these multiscale challenges are intrinsic due to the thermodynamic incompatibility of the urethane and polyol-rich domains, resulting in heterogeneities from molecular to microstructural length scales. Machine learning can model patterns in data to establish a relationship between the monomer chemistry and bulk material properties, but this is made difficult by small data sets and a diverse set of monomers. Using a data set of 63 industrially relevant and complex elastomers, we demonstrate that accurate machine learning predictions are possible when monomer chemistry is used to estimate interactions at interchain length scales. Here, these features were used to accurately (r2 = 0.91) predict the Young’s modulus of polyurethane and polyurethane–urea elastomers. Furthermore, by a query of the trained model for compositions that yield a target modulus within the range of accessible values, the capabilities of using this methodology as a design tool are demonstrated. The presented methodology could become increasingly useful in building models for materials with small data sets and may guide the interpretation of the underlying physicochemical forces.
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