多環(huán)境因素下聚合物材料的老化失效規(guī)律及壽命的預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及多環(huán)境因素下聚合物材料的老化失效規(guī)律及壽命的預(yù)測(cè)方法，屬于高分子材料領(lǐng)域。本發(fā)明提供一種多環(huán)境因素下聚合物材料的老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法，基于多環(huán)境因素加速老化試驗(yàn)，獲得聚合物材料在加速條件下的壽命特征指標(biāo)-老化時(shí)間曲線，通過(guò)阿倫尼烏斯公式、倒易法則以及疊加法則計(jì)算相應(yīng)老化失效加速因子，利用該加速因子將加速條件下的失效曲線外推至正常使用環(huán)境(多老化因素)下的老化失效曲線，從而實(shí)現(xiàn)了聚合物材料的老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)。本發(fā)明所得方法試驗(yàn)周期短，重復(fù)性好，理論推導(dǎo)簡(jiǎn)單，預(yù)測(cè)可靠性高。
【專利說(shuō)明】多環(huán)境因素下聚合物材料的老化失效規(guī)律及壽命的預(yù)測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多環(huán)境因素下聚合物材料的老化失效規(guī)律及壽命的預(yù)測(cè)方法，屬于高分子材料領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]聚合物材料在長(zhǎng)期服役環(huán)境下很容易發(fā)生降解，包括單獨(dú)的或是同時(shí)的光化學(xué)降解、氧化降解以及水解等過(guò)程。這樣的降解過(guò)程會(huì)引起材料顯著的物理或是化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，最終導(dǎo)致材料的性能失效。因此，隨著聚合物、聚合物共混及復(fù)合材料越來(lái)越多的應(yīng)用于日常生活和工業(yè)領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)材料，其長(zhǎng)期服役壽命的預(yù)測(cè)變得十分必要。
[0003]然而，真實(shí)的長(zhǎng)期服役環(huán)境老化試驗(yàn)通常是耗時(shí)的并且會(huì)耗費(fèi)大量的人力財(cái)力，這使得直接對(duì)正常使用環(huán)境下的聚合物材料的服役壽命測(cè)試變得不切實(shí)際。因此，通過(guò)加速老化的手段對(duì)聚合物使用期限的預(yù)測(cè)需求日益增長(zhǎng)。通常，聚合物材料的失效可以通過(guò)加強(qiáng)老化條件來(lái)加速。到目前為止，已有許多基于單因素老化條件強(qiáng)化方法的工作，致力于研究單一因素加速的服役壽命預(yù)測(cè)。這些方法通過(guò)提高包括溫度、輻照量、相對(duì)濕度或是氧氣壓力等單一老化因素來(lái)加速聚合物材料的失效行為，通過(guò)外推單一加速老化條件下的失效規(guī)律曲線來(lái)預(yù)測(cè)材料在實(shí)際使用環(huán)境下的老化失效規(guī)律及失效壽命，可以一定程度的節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間。
[0004]然而，單一因素下的加速老化試驗(yàn)不能夠完全模擬材料在正常使用環(huán)境多老化因素條件下整體的降解過(guò)程及機(jī)理。并且為縮短試驗(yàn)時(shí)間，過(guò)于強(qiáng)化的單因素條件可能會(huì)造成老化機(jī)理的改變，導(dǎo)致壽命預(yù)測(cè)的失敗。例如在提高溫度加速老化過(guò)程中，利用阿倫尼烏斯公式將高溫下聚合物材料的老化失效曲線向正常使用溫度外推時(shí)，往往會(huì)由于高溫及低溫下老化機(jī)理的不一致出現(xiàn)阿倫尼烏斯曲線的線性偏離現(xiàn)象，導(dǎo)致外推失敗。因此應(yīng)用單因素強(qiáng)化加速老化試驗(yàn)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)可靠性不足，在壽命預(yù)測(cè)過(guò)程中存在較大風(fēng)險(xiǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述不足，本發(fā)明提供了一種多環(huán)境因素下聚合物材料的老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法，該方法試驗(yàn)周期短，重復(fù)性好，理論推導(dǎo)簡(jiǎn)單，預(yù)測(cè)可靠性高。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]本發(fā)明要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟:
[0008]a、聚合物材料進(jìn)行多因素老化條件下的室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)，得到聚合物材料的壽命特征指標(biāo)-老化時(shí)間曲線，即老化失效曲線；所述壽命特征指標(biāo)為實(shí)際使用環(huán)境中能夠反映聚合物材料老化程度并能夠用來(lái)表征聚合物材料失效的特征指標(biāo)；



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[0009]b、計(jì)算加速老化因子AF，AF采用下式計(jì)算:2F=exp f~ ，式中X



V K \ J2 1I JAaI J
為除溫度外的老化條件，P為與材料有關(guān)的常數(shù)，Ea為降解表觀活化能，R為氣體常數(shù)，T為老化溫度；
[0010]C、利用b步驟所得加速老化因子，將步驟a所得老化失效曲線外推得到長(zhǎng)期實(shí)際使用環(huán)境下的壽命特征指標(biāo)-老化時(shí)間曲線，從而實(shí)現(xiàn)了多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)。
[0011]步驟a中，聚合物材料進(jìn)行室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)的多因素老化條件的確定方式為:
[0012]聚合物材料分別進(jìn)行各項(xiàng)單因素老化條件下的室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)，從而確定聚合物材料的敏感老化條件，各項(xiàng)敏感老化條件的組合即為多因素老化條件；其中，敏感老化條件即該老化條件的存在直接導(dǎo)致聚合物材料壽命特征指標(biāo)隨老化時(shí)間發(fā)生顯著變化的老化條件；如對(duì)于PP材料，敏感老化條件即指溫度、輻照量以及氧氣壓力。
[0013]本發(fā)明中，敏感老化條件包括環(huán)境因素，環(huán)境因素包括化學(xué)因素(溫度、輻照量、相對(duì)濕度、氧氣壓力、酸雨)、物理因素(應(yīng)力、灰塵)以及生物因素(微生物)中的至少一種。
[0014]步驟a中所述聚合物材料的壽命特征指標(biāo)根據(jù)聚合物材料的失效機(jī)理和用途確定，其與聚合物材料壽命高度關(guān)聯(lián)。
[0015]具體的，聚合物材料的壽命特征指標(biāo)為表觀性能、機(jī)械性能、阻燃性能、電性能、分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的至少一種。
[0016]更具體的，所述表觀性能為黃色指數(shù)、表面光澤度或表面粗糙度中的至少一種；機(jī)械性能為斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度、楊氏模量或斷裂點(diǎn)應(yīng)力中的至少一種；阻燃性能為煙密度、極限氧指數(shù)或點(diǎn)燃溫度中的至少一種；電性能為體積電阻率或表面電阻率中的至少一種；分子結(jié)構(gòu)為分子量、羰基指數(shù)、接觸角或表面化學(xué)基團(tuán)含量中的至少一種；結(jié)晶結(jié)構(gòu)為結(jié)晶度或長(zhǎng)周期中的至少一種。
[0017]具體的，當(dāng)聚合物為聚丙烯(PP)時(shí)，壽命特征指標(biāo)為斷裂伸長(zhǎng)率、極限氧指數(shù)、分子量、羰基指數(shù)或是長(zhǎng)周期中的至少一種；當(dāng)聚合物為聚乙烯(PE)時(shí)，壽命特征指標(biāo)為斷裂伸長(zhǎng)率、體積電阻率、極限氧指數(shù)、分子量、羰基指數(shù)或長(zhǎng)周期中的至少一種；當(dāng)聚合物為聚酰胺(PA6)時(shí)，壽命特征指標(biāo)為斷裂伸長(zhǎng)率、分子量、羰基指數(shù)或長(zhǎng)周期中的至少一種；當(dāng)聚合物為聚碳酸酯(PC)時(shí)，壽命特征指標(biāo)為斷裂伸長(zhǎng)率、羰基指數(shù)或分子量中的至少一種。
[0018]步驟b中，加速因子AF的計(jì)算公式的確定方法為:
[0019]聚合物材料多因素老化條件下室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)中，改變某一單因素老化條件，固定其他因素老化條件，基于阿倫尼烏斯公式、倒易法則確定壽命特征指標(biāo)的變化與各項(xiàng)單因素老化條件之間的定量關(guān)系，再基于疊加法則，確定壽命特征指標(biāo)與多因素老化條件的關(guān)系;
[0020]所述阿倫尼烏斯公式為kT = ATexp (_Ea/RT)，式中k為聚合物材料壽命特征指標(biāo)溫度依賴的降解速率，At為溫度依賴的指前因子，Ea為降解表觀活化能，R為氣體常數(shù)，T為老化溫度；
[0021]倒易法則kx = Ax(X)p，式中X為除溫度外的老化條件，P為與材料有關(guān)的常數(shù)，通過(guò)指數(shù)函數(shù)擬合確定P值，kx與Ax為依賴該老化條件的降解速率及指前因子；
[0022]疊加法則km = kTkx = AALLexp (_Ea/RT) (X)p，式中kAa及A-為多因素老化條件下壽命特征指標(biāo)的降解速率及指前因子；
( P ( \ I ^ f Y γ;
[0023]力口速因子A7=Zll1 =exp -^l ——7.，kAIX1及kAIi2分別為加速老化條件
^ALLl VV2 J 2 J
及正常使用條件下聚合物材料的降解速率。
[0024]具體的，當(dāng)聚合物材料為PP，其老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法包括如下步驟:
[0025]I)、PP材料按照GB/T 16422.2-1999的方法進(jìn)行室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)，得到PP的羰基指數(shù)-老化天數(shù)曲線，即老化失效曲線；
[0026]2)、計(jì)算加速老化因子AF, AF采用下式計(jì)算:
/ \p/\ / \q
AFall = -γ- exp —r~ (~- - —) -~r~，公式中I為福照度，T為老化溫度，0為氧氣壓力，p為 0.5，q 為 1，Ea 為 49KJ/mol, R 為 8.314J molt1 ；
[0027]3)、將步驟I所得老化失效曲線乘上步驟2所得加速老化因子得到長(zhǎng)期實(shí)際使用環(huán)境下的羰基指數(shù)-老化天數(shù)曲線；從而實(shí)現(xiàn)了多環(huán)境因素下PP老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)。
[0028]具體的，當(dāng)聚合物材料為PE，其老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法包括如下步驟:
[0029]I)、PE材料按照GB/T 16422.2-1999的方法進(jìn)行室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)，得到PE的羰基指數(shù)-老化天數(shù)曲線，即老化失效曲線；
[0030]2)、計(jì)算加速老化因子AF, AF采用下式計(jì)算:
(J Y f V 1 1 VoY
AFil, = -j- exp-Tl，公式中I為輻照度，T為老化溫度，O為氧氣壓力，p
J \K 1I 1I 八"2)
為 1，q 為 1，Ea 為 14.3KJ/mol, R 為 8.314J moll—1 ；
[0031]3)、將步驟I所得老化失效曲線乘上步驟2所得加速老化因子得到長(zhǎng)期實(shí)際使用環(huán)境下的羰基指數(shù)-老化天數(shù)曲線；從而實(shí)現(xiàn)了多環(huán)境因素下PE的老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)。
[0032]具體的，當(dāng)聚合物材料為PC，其老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法包括如下步驟:
[0033]I)、PC材料按照GB/T 16422.2-1999的方法進(jìn)行室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)，得到PC的羰基指數(shù)-老化天數(shù)曲線，即老化失效曲線；
[0034]2)、計(jì)算加速老化因子AF, AF采用下式計(jì)算:
/ \p / \
= ~r exP f "―7)，公式中I為福照度，T為老化溫度，[RH]為相對(duì)濕
V 2 /J
度，P 為 1，q 為 2，Ea 為 21KJ/mol，R 為 8.314J moH1 ；
[0035]3)、將步驟I所得老化失效曲線乘上步驟2所得加速老化因子得到長(zhǎng)期實(shí)際使用環(huán)境下的羰基指數(shù)-老化天數(shù)曲線；從而實(shí)現(xiàn)了多環(huán)境因素下PC的老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)。
[0036]本發(fā)明要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效壽命的預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟:
[0037]a、聚合物材料進(jìn)行多因素老化條件下的室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)，得到聚合物材料的壽命特征指標(biāo)-老化時(shí)間曲線，即老化失效曲線；所述壽命特征指標(biāo)為實(shí)際使用環(huán)境中能夠反映聚合物材料老化程度并能夠用來(lái)表征聚合物材料失效的特征指標(biāo)；



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[0038]b、計(jì)算加速老化因子AF, AF米用下式計(jì)算:―1-，式中X



、K [J2 I1 JJy^2 y
為除溫度外的老化條件，P為與材料有關(guān)的常數(shù)，Ea為降解表觀活化能，R為氣體常數(shù)，T為老化溫度；
[0039]C、利用b步驟所得加速老化因子，將步驟a所得老化失效曲線外推得到長(zhǎng)期實(shí)際使用環(huán)境下的壽命特征指標(biāo)-老化時(shí)間曲線；
[0040]d、步驟c得到的壽命特征指標(biāo)-老化時(shí)間曲線結(jié)合聚合物材料的失效判據(jù)來(lái)確定聚合物材料的老化失效壽命；聚合物材料的失效判據(jù)依照聚合物材料的失效機(jī)理、使用環(huán)境以及用途確定。
[0041]上述聚合物材料老化失效壽命的預(yù)測(cè)方法的a、b、c步驟同前述聚合物材料老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法。
[0042]具體的，上述多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效壽命的預(yù)測(cè)方法中，步驟d中的聚合物材料失效判據(jù)的確定方式為:聚合物材料使用初始的壽命特征指標(biāo)值記為A，當(dāng)A降低至其50%時(shí)表明聚合物材料失效，A從初始值至其降到50%時(shí)所需時(shí)間為聚合物材料的失效壽命。
[0043]本發(fā)明中，所述聚合物材料為聚合物、聚合物共混物或聚合物基復(fù)合材料。
[0044]所述聚合物為聚烯烴、芳香族聚酯、脂肪族聚酯、聚酰胺樹脂、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯中的至少一種。
[0045]所述聚烯烴為聚乙烯、聚丙烯及其共聚物，所述芳香族聚酯聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，所述聚酰胺樹脂為尼龍6、尼龍66、尼龍610。
[0046]所述聚合物基復(fù)合材料為聚烯烴、芳香族聚酯、脂肪族聚酯、聚酰胺樹脂、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯中至少一種與無(wú)機(jī)填料的復(fù)合物，其中無(wú)機(jī)填料為納米/微米級(jí)二氧化硅、炭黑、碳納米管、石墨烯、碳酸鈣、云母、滑石粉、粘土、玻璃纖維、玻璃微珠、碳纖維、金屬粉末或木粉中的至少一種。
[0047]本發(fā)明的有益效果:
[0048]本發(fā)明方法利用多因素老化條件下的加速老化試驗(yàn)，獲得聚合物材料在加速條件下老化失效曲線，通過(guò)阿倫尼烏斯公式、倒易法則以及疊加法則計(jì)算相應(yīng)老化失效加速因子，利用該加速因子將加速條件下的失效曲線外推至正常使用環(huán)境(多老化因素)下的老化失效曲線，進(jìn)而結(jié)合相應(yīng)判據(jù)，確定聚合物材料的長(zhǎng)期服役壽命。本發(fā)明所得方法試驗(yàn)周期短，重復(fù)性好，理論推導(dǎo)簡(jiǎn)單，預(yù)測(cè)可靠性高。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0049]圖1聚丙烯在室內(nèi)加速老化以及海拉爾戶外自然老化條件下的羰基指數(shù)增長(zhǎng)曲線。
[0050]圖2聚丙烯在海拉爾羰基指數(shù)增長(zhǎng)曲線的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值比較。
[0051]圖3聚丙烯在室內(nèi)加速老化以及廣州戶外自然老化條件下的羰基指數(shù)增長(zhǎng)曲線。
[0052]圖4聚丙烯在廣州羰基指數(shù)增長(zhǎng)曲線的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值比較。

【具體實(shí)施方式】
[0053]以下列舉的是本發(fā)明的若干具體實(shí)施例子，以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。需要注意的是，本發(fā)明顯然不限于以下實(shí)施實(shí)例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)被認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0054]實(shí)施例1多環(huán)境因素條件下聚合物材料海拉爾戶外老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法
[0055]聚合物材料采用聚丙烯(T30s，獨(dú)山子石化)，然后通過(guò)注射成型進(jìn)一步制備符合ASTM拉伸測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的啞鈴狀試樣。
[0056]使用氙燈老化試驗(yàn)箱(Cl 3000+, Atlas)對(duì)制備的啞鈴狀試樣在實(shí)驗(yàn)箱溫度為55±0.5°C，黑板溫度為70±0.5°C，相對(duì)濕度為65±5%，輻照度為0.55W/m2/nm (340nm處)，102min干燥加18min去離子水噴淋循環(huán)的條件下進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)(GB/T
16422.2-1999/IS04892-2:1994)。
[0057]對(duì)聚丙烯拉伸樣條開展在海拉爾的戶外老化實(shí)驗(yàn)，將聚丙烯拉伸樣條放置于向南45°角的老化曝露架上，樣條兩端由鋁板夾持進(jìn)行無(wú)背襯曝露(GB/T 3681-2000/IS0877-1994)，海拉爾的戶外環(huán)境參數(shù)為:海拔647m，年平均最高氣溫14.4°C，年平均輻照量4385MJ/m2，年平均氧氣壓力0.019MPa。
[0058]不同老化時(shí)間段對(duì)上述室內(nèi)老化實(shí)驗(yàn)和戶外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行取樣，通過(guò)紅外測(cè)試得到相應(yīng)的羰基指數(shù)，得到聚丙烯在室內(nèi)加速老化以及戶外自然老化條件下的羰基指數(shù)增長(zhǎng)曲線，如圖1所示。
[0059]針對(duì)本實(shí)施例中的聚丙烯材料，根據(jù)PP戶外老化實(shí)驗(yàn)條件得知，影響其壽命特征指標(biāo)羰基指數(shù)的關(guān)鍵環(huán)境因素(即敏感老化條件)為溫度、輻照量以及氧氣壓力，因此計(jì)算
(J Y (F I I Y0 Y
其加速因子的公不為A71 z = -y- exp-?~公式中I為福照度，O為氧氣壓
K1I J \ ^ h A 八"2 J
力，參數(shù) P 取 0.5，q 取 1，Ea 取 49KJ/mol，R 為 8.314J moF1K^10
[0060]利用所得到的加速因子，即可預(yù)測(cè)出聚丙烯碳基指數(shù)在海拉爾的羰基增長(zhǎng)曲線，其與真實(shí)的戶外羰基指數(shù)增長(zhǎng)曲線的比較如圖2所示。通過(guò)圖2可以看到，利用本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法，推算出基于聚丙烯室內(nèi)加速老化數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值與戶外自然老化條件下的測(cè)量值最大誤差在13%左右，結(jié)果較為一致。
[0061]可見，利用本發(fā)明預(yù)測(cè)方法，在獲得30天的室內(nèi)加速老化數(shù)據(jù)后，可以推算出其戶外自然老化條件下海拉爾901天的老化失效規(guī)律；即同真實(shí)的戶外自然老化實(shí)驗(yàn)相比，本方法能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)多環(huán)境因素下聚合物材料的老化失效規(guī)律，且能明顯的節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間(節(jié)省約870天)，減少實(shí)驗(yàn)成本。并且進(jìn)一步結(jié)合相應(yīng)判據(jù)后，即可預(yù)測(cè)長(zhǎng)期服役壽命。
[0062]實(shí)施例2多環(huán)境因素條件下聚合物材料廣州戶外老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法
[0063]聚合物材料采用聚丙烯(T30s，獨(dú)山子石化)，然后通過(guò)注射成型進(jìn)一步制備符合ASTM拉伸測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的啞鈴狀試樣。
[0064]使用氙燈老化試驗(yàn)箱(Cl 3000+, Atlas)對(duì)制備的啞鈴狀試樣在實(shí)驗(yàn)箱溫度為55±0.5°C，黑板溫度為70±0.5°C，相對(duì)濕度為65±5%，輻照度為0.55W/m2/nm (340nm處)，102min干燥加18min去離子水噴淋循環(huán)的條件下進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)(GB/T16422.2-1999/IS04892-2:1994)。
[0065]對(duì)聚丙烯拉伸樣條開展在廣州的戶外老化實(shí)驗(yàn)，將聚丙烯拉伸樣條放置于向南45°角的老化曝露架上，樣條兩端由鋁板夾持進(jìn)行無(wú)背襯曝露(GB/T 3681-2000/IS0877-1994)。廣州的戶外環(huán)境參數(shù)為:海拔6.6m，年平均最高氣溫31.(TC，年平均輻照量3228MJ/m2，年平均氧氣壓力0.02 IMPa0
[0066]不同老化時(shí)間段對(duì)上述室內(nèi)老化實(shí)驗(yàn)和戶外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行取樣，通過(guò)紅外測(cè)試得到相應(yīng)的羰基指數(shù)，得到聚丙烯在室內(nèi)加速老化以及戶外自然老化條件下的羰基指數(shù)增長(zhǎng)曲線，分別得到聚丙烯在室內(nèi)加速老化以及戶外自然老化條件下的羰基指數(shù)增長(zhǎng)曲線如圖3所示。
[0067]針對(duì)本實(shí)施例中的聚丙烯材料，影響其重要性能/結(jié)構(gòu)指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)境因素為溫度、輻照量以及氧氣壓力，因此計(jì)算其加速因子的公式為
AFiLL={^\ expi^(---)Y^l公式中I為福照度，O為氧氣壓力，參數(shù)P取0.5，參
ALL Tr p vT7 T Γ?
\l2 JV Λ 1I 1I JKij2 J
數(shù) q 取 143取49耵/!1101，1?為 8.314J moF1K^10
[0068]利用所得到的加速因子，即可計(jì)算出聚丙烯重要結(jié)構(gòu)指標(biāo)在廣州的羰基指數(shù)增長(zhǎng)曲線，與真實(shí)的戶外羰基指數(shù)增長(zhǎng)曲線的比較如圖4所示。通過(guò)圖4可以看到，利用本發(fā)明的預(yù)測(cè)方法，推算出基于聚丙烯室內(nèi)加速老化數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值與戶外自然老化條件下的測(cè)量值最大誤差在13%左右，結(jié)果較為一致。
[0069]可見，利用本發(fā)明預(yù)測(cè)方法，在獲得30天的室內(nèi)加速老化數(shù)據(jù)后，可以推算出其戶外自然老化條件下廣州310天的老化失效規(guī)律；即同真實(shí)的戶外自然老化實(shí)驗(yàn)相比，本方法能夠明顯的節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間(節(jié)省約280天)，減少實(shí)驗(yàn)成本。并且進(jìn)一步結(jié)合相應(yīng)判據(jù)后，即可預(yù)測(cè)長(zhǎng)期服役壽命。
【權(quán)利要求】
1.多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟: a、聚合物材料進(jìn)行多因素老化條件下的室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)，得到聚合物材料的壽命特征指標(biāo)-老化時(shí)間曲線，即老化失效曲線；所述壽命特征指標(biāo)為實(shí)際使用環(huán)境中能夠反映聚合物材料老化程度并能夠用來(lái)表征聚合物材料失效的特征指標(biāo)；


^ β f I I ^ ? Y 丫 >3、計(jì)算加速老化因子4?,4?米用下式計(jì)算:2^=610~r ，式中X為除

V \ ^ ? J八J溫度外的老化條件，P為與材料有關(guān)的常數(shù)，Ea為降解表觀活化能，R為氣體常數(shù)，T為老化溫度； C、利用b步驟所得加速老化因子，將步驟a所得老化失效曲線外推得到長(zhǎng)期實(shí)際使用環(huán)境下的壽命特征指標(biāo)-老化時(shí)間曲線，從而實(shí)現(xiàn)了多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟a中，聚合物材料進(jìn)行室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)的多因素老化條件的確定方式為: 聚合物材料分別進(jìn)行各項(xiàng)單因素老化條件下的室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)，從而確定聚合物材料的敏感老化條件，各項(xiàng)敏感老化條件的組合即為多因素老化條件；其中，敏感老化條件即該老化條件的存在直接導(dǎo)致聚合物材料壽命特征指標(biāo)隨老化時(shí)間發(fā)生顯著變化的老化條件；優(yōu)選的，敏感老化條件為化學(xué)因素、物理因素或生物因素；進(jìn)一步，所述化學(xué)因素為溫度、輻照量、相對(duì)濕度、氧氣壓力或酸雨中至少一種；所述物理因素為應(yīng)力或灰塵中的至少一種；所述生物因素為微生物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法，其特征在于， 步驟a中所述聚合物材料的壽命特征指標(biāo)根據(jù)聚合物材料的失效機(jī)理和用途確定，其與聚合物材料壽命高度關(guān)聯(lián)；優(yōu)選的，聚合物材料的壽命特征指標(biāo)為表觀性能、機(jī)械性能、阻燃性能、電性能、分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的至少一種；更優(yōu)選的，所述表觀性能為黃色指數(shù)、表面光澤度或表面粗糙度中的至少一種；機(jī)械性能為斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度、楊氏模量或斷裂點(diǎn)應(yīng)力中的至少一種；阻燃性能為煙密度、極限氧指數(shù)或點(diǎn)燃溫度中的至少一種；電性能為體積電阻率或表面電阻率中的至少一種；分子結(jié)構(gòu)為分子量、羰基指數(shù)、接觸角或表面化學(xué)基團(tuán)含量中的至少一種；結(jié)晶結(jié)構(gòu)為結(jié)晶度或長(zhǎng)周期中的至少一種； 進(jìn)一步，當(dāng)聚合物為聚丙烯時(shí)，壽命特征指標(biāo)為斷裂伸長(zhǎng)率、極限氧指數(shù)、分子量、羰基指數(shù)或是長(zhǎng)周期中的至少一種；當(dāng)聚合物為聚乙烯時(shí)，壽命特征指標(biāo)為斷裂伸長(zhǎng)率、體積電阻率、極限氧指數(shù)、分子量、羰基指數(shù)或長(zhǎng)周期中的至少一種；當(dāng)聚合物為聚酰胺時(shí)，壽命特征指標(biāo)為斷裂伸長(zhǎng)率、分子量、羰基指數(shù)或長(zhǎng)周期中的至少一種；當(dāng)聚合物為聚碳酸酯時(shí)，壽命特征指標(biāo)為斷裂伸長(zhǎng)率、羰基指數(shù)或分子量中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述的多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟b中，加速因子AF的計(jì)算公式的確定方法為: 聚合物材料多因素老化條件下室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)中，改變某一單因素老化條件，固定其他因素老化條件，基于阿倫尼烏斯公式、倒易法則確定壽命特征指標(biāo)的變化與各項(xiàng)單因素老化條件之間的定量關(guān)系，再基于疊加法則，確定壽命特征指標(biāo)與多因素老化條件的關(guān)系; 所述阿倫尼烏斯公式為kT = ATexp (-Ea/RT)，式中k為聚合物材料壽命特征指標(biāo)溫度依賴的降解速率，At為溫度依賴的指前因子，Ea為降解表觀活化能，R為氣體常數(shù)，T為老化溫度； 倒易法則kx = Ax(X)p，式中X為除溫度外的老化條件，P為與材料有關(guān)的常數(shù)，通過(guò)指數(shù)函數(shù)擬合確定P值，kx與Ax為依賴該老化條件的降解速率及指前因子； 疊加法則kAIX = kTkx = AALLexp (_Ea/RT) (X)p,式中kAIi及Aaix為多因素老化條件下壽命特征指標(biāo)的降解速率及指前因子；

( F ( λ I \\f V ΛΡ 力口速因子A7= Zlli =exP ~Tr- ，kAIXi及kAIi2分別為加速老化條件及正
^ALLl Vv2 I ))\^7 J常使用條件下聚合物材料的降解速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述的多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，當(dāng)聚合物材料為PP、PE或PC時(shí)，其老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)方法包括如下步驟: 1)、PP、PE、或PC材料按照GB/T16422.2-1999的方法進(jìn)行室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)，分別得到PP、PE或PC材料的羰基指數(shù)-老化天數(shù)曲線，即老化失效曲線； 2)、計(jì)算加速老化因子AF:f T Y (P I I Λ( Q Y 當(dāng)聚合物材料為PP或PE時(shí)，AF采用下式計(jì)算f exp ^(---)，\^2 J V K I2 A 八j公式中，I為輻照度，T為老化溫度，O為氧氣壓力，R為8.314J H1r1Ir1 ;當(dāng)聚合物材料為PP時(shí)，P為0.5，q為l，EaS49KJ/mol ;當(dāng)聚合物材料為PE時(shí)，p為1，q為1，Ea為14.3KJ/mo I ；

〃 / 丫 (K I 1、 當(dāng)聚合物材料為PC時(shí)，AF采用下式計(jì)算:樸exp子P"]9，公式


K1I ) \K 12 1I J中I為輻照度，T為老化溫度，[RH]為相對(duì)濕度，P為1，q為2，Ea為21KJ/mol, R為8.314JmoI 1K 1； 3)、將步驟I所得老化失效曲線乘上步驟2所得加速老化因子得到長(zhǎng)期實(shí)際使用環(huán)境下的羰基指數(shù)-老化天數(shù)曲線；從而實(shí)現(xiàn)了多環(huán)境因素下PP老化失效規(guī)律的預(yù)測(cè)。
6.多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效壽命的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟: a、聚合物材料進(jìn)行多因素老化條件下的室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)，得到聚合物材料的壽命特征指標(biāo)-老化時(shí)間曲線，即老化失效曲線；所述壽命特征指標(biāo)為實(shí)際使用環(huán)境中能夠反映聚合物材料老化程度并能夠用來(lái)表征聚合物材料失效的特征指標(biāo)；

I IY 丫 b、計(jì)算加速老化因子AF,AF米用下式計(jì)算:jF=exp—r ，式中X為除


V V 1I y A 2)溫度外的老化條件，P為與材料有關(guān)的常數(shù)，Ea為降解表觀活化能，R為氣體常數(shù)，T為老化溫度； C、利用b步驟所得加速老化因子，將步驟a所得老化失效曲線外推得到長(zhǎng)期實(shí)際使用環(huán)境下的壽命特征指標(biāo)-老化時(shí)間曲線； d、步驟C得到的壽命特征指標(biāo)-老化時(shí)間曲線結(jié)合聚合物材料的失效判據(jù)來(lái)確定聚合物材料的老化失效壽命；聚合物材料的失效判據(jù)依照聚合物材料的失效機(jī)理、使用環(huán)境以及用途確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效壽命的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟a中，聚合物材料進(jìn)行室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)的多因素老化條件的確定方式為: 聚合物材料分別進(jìn)行各項(xiàng)單因素老化條件下的室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)，從而確定聚合物材料的敏感老化條件，各項(xiàng)敏感老化條件的組合即為多因素老化條件；其中，敏感老化條件即該老化條件的存在直接導(dǎo)致聚合物材料壽命特征指標(biāo)隨老化時(shí)間發(fā)生顯著變化的老化條件。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效壽命的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟a中所述聚合物材料的壽命特征指標(biāo)根據(jù)聚合物材料的失效機(jī)理和用途確定，其與聚合物材料壽命高度關(guān)聯(lián)；優(yōu)選的，聚合物材料的壽命特征指標(biāo)為表觀性能、機(jī)械性能、阻燃性能、電性能、分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的至少一種；更優(yōu)選的，所述表觀性能為黃色指數(shù)、表面光澤度或表面粗糙度中的至少一種；機(jī)械性能為斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度、楊氏模量或斷裂點(diǎn)應(yīng)力中的至少一種；阻燃性能為煙密度、極限氧指數(shù)或點(diǎn)燃溫度中的至少一種；電性能為體積電阻率或表面電阻率中的至少一種；分子結(jié)構(gòu)為分子量、羰基指數(shù)、接觸角或表面化學(xué)基團(tuán)含量中的至少一種；結(jié)晶結(jié)構(gòu)為結(jié)晶度或長(zhǎng)周期中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求6?8任一項(xiàng)所述的多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效壽命的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟b中，加速因子AF的計(jì)算公式的確定方法為: 聚合物材料多因素老化條件下室內(nèi)加速老化實(shí)驗(yàn)中，改變某一單因素老化條件，固定其他因素老化條件，基于阿倫尼烏斯公式、倒易法則確定壽命特征指標(biāo)的變化與各項(xiàng)單因素老化條件之間的定量關(guān)系，再基于疊加法則，確定壽命特征指標(biāo)與多因素老化條件的關(guān)系; 所述阿倫尼烏斯公式為kT = ATexp (-Ea/RT)，式中k為聚合物材料壽命特征指標(biāo)溫度依賴的降解速率，At為溫度依賴的指前因子，Ea為降解表觀活化能，R為氣體常數(shù)，T為老化溫度； 倒易法則kx = Ax(X)p，式中X為除溫度外的老化條件，P為與材料有關(guān)的常數(shù)，通過(guò)指數(shù)函數(shù)擬合確定P值，kx與Ax為依賴該老化條件的降解速率及指前因子； 疊加法則kAIX = kTkx = AALLexp (_Ea/RT) (X)p,式中kAIi及Aaix為多因素老化條件下壽命特征指標(biāo)的降解速率及指前因子；
Jc(E ( I I X 丫 力口速因子狀=,iLn =exP— TT- ，kAIX1及kAIi2分別為加速老化條件及正
^ALLlV V 2 //V 2 /常使用條件下聚合物材料的降解速率。
10.根據(jù)權(quán)利要求6?9任一項(xiàng)所述的多環(huán)境因素下聚合物材料老化失效壽命的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟d中的聚合物材料失效判據(jù)的確定方式為:聚合物材料使用初始的壽命特征指標(biāo)值記為A，當(dāng)A降低至其50%時(shí)表明聚合物材料失效，A從初始值降到其50%時(shí)所需時(shí)間為聚合物材料的失效壽命。
【文檔編號(hào)】G01N33/00GK104181279SQ201410422607
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】黃亞江, 呂亞棟, 楊其, 李光憲 申請(qǐng)人:四川大學(xué)