有机高分子材料使用寿命预测方法及标准

    有机高分子材料在我国各行各业当中都有极其广泛的使用, 但是有机高分子材料在实际使用过程中受到使用环境的影响, 其使用性能和使用寿命都会受到很大的影响。所以, 对有机高分子材料进行研究, 提升其使用性能能够很大程度上降低有机高分子材料的使用寿命, 同时还可以降低资源的损耗, 这对于有机高分子材料的使用有很大的经济意义。除此之外, 对有机高分子材料进行研究, 了解材料老化的根本原因, 掌握其变化规律, 有助于科研人员采取有效措施来降低其老化时间, 提升使用寿命。

　　对于有机高分子材料的研究, 国内外很多研究者多做出了深入研究, 有了很多成果, 本文对其成果进行收集整理, 从传统措施、新技术两个维度对预测有机高分子材料使用寿命方法进行了阐述, 同时明确了判断有机高分子材料的标准。

　　1 传统预测高分子材料寿命方法

　　1.1 自然老化和人工气候老化

　　同时将有机高分子材料置于自然环境和模拟自然环境中, 测试高分子材料到达指定性能时的耗时, 找出不同环境下高分子材料之间的区别, 找出其方程关系, 并且根据此方程来有效预测高分子材料的使用寿命。这种传统的预测方法和实验环境有很大的关系, 同时在自然环境下有机高分子材料有很强的分散性, 在真实实验过程中, 需要投入很多时间、精力和试验件, 整个实验周期持续时间比较长, 所以, 在对实验结果进行推广时会遇到很多实际环境制约。

　　1.2 耐候性预测方程式

　　真实气候环境复杂多变, 很多科研工作者根据实际经验总结出了经验关系式, 在关系式中考虑光照、热度、空气、水分等等因素, 按照不同的比重以一定系数来表示不同环境因素对高分子材料的影响。在实际使用过程中, 测量环境各种因素来确定不同因素的系数值, 将其影响系数代入经验方程式中即可预测有机高分子材料的使用寿命, 判断其老化率。

　　这种经验关系式受经验的影响比较大, 无法准确反映出环境因素和有机高分子材料之间的关系。

　　1.3 加速老化实验预测法

　　这种加速老化实验预测法包括:基于反应机理的实验方法、添加剂损失方法、外推法和随机过程模型方法。

　　基于反应机理的实验方法最早是由Gillen学者提出, 根据环境的降解机制判断出高分子材料聚乙烯和光照辐射量之间的关系, 当光照辐射量是0的时候, 高分子材料的使用寿命无限长。Colin学者提出在有机高分子材料当中含有一些不稳定的化学物, 在光照辐射量是0的时候, 高分子材料的使用寿命也是有限的。Pine认为高分子材料的使用寿命和光照、辐射、时间有关系, 高分子材料的反应速度包括光照反应速度和辐射反应速度, 其准确展现了高分子材料和环境之间的变化关系。

　　添加剂损失方法最早是由Malk学者提出, 其使用该模型预测了含稳定剂的LDPE和PP的使用寿命。其模型为:α= (M∞-Ms) /M∞, M∞指的是在有机高分子材料中添加剂原始值, Ms指的是为在某一时刻高分子材料当中所含添加剂的值。使用这种模型对高分子材料进行的寿命预测和自然条件下高分子材料的自然老化有很大的相似性。

　　2 新型预测高分子材料寿命方法

　　2.1 老化诱导期内变化预测

　　对高分子材料在诱导期内的出现的变化进行观察以预测其寿命, 不需要等到高分子材料完全失效后, 出现的新型预测方法有氧化率测试和化学发光方法。对高分子材料的氧化率进行测试能够反映出材料性能的变动, 使用这种预测方法的前提是高分子材料的氧化率和材料性能关系是固定的。化学发光方法基础是氢过氧化物的含量和化学发光之间呈现正比例变化的关系, 氢过氧化物是高分子材料降解的一种产物。

　　2.2 累积破坏与宏观性能结合

　　这种预测方法主要是基于累计破坏理论, 指的是高分子材料性能的失效是在使用过程中各种因素综合影响的结果。Chaitanya学者根据这一理论提出了预测高分子材料寿命新方法:根据材料破坏累积效应, 来处理材料老化测试实验中各项数据进行统计, 进而模拟出高分子材料寿命。

　　2.3 耗损方法

　　这种预测方法最早是由Gillen学者提出, 假设高分子材料的讲解符合时温等效模型, 不同温度下高分子材料的老化和时间呈正比例变化, 将在低温下放置的高分子材料之后放到高温条件下, 根据实验找出高分子材料的性能和时间之间的比例变化关系, 从而使用时温转换模型来得到材料在低温下性能变化趋势。

　　3 预测高分子材料寿命评判标准

　　目前在高分子材料领域已经有了很多预测模型, 也已建立起寿命评判标准, 在高分子材料领域经常使用的标准有:

　　在IEEE Std 101-1987标准中详细解释了在高分子材料热加速老化实验中统计分析的使用。ASTM G169标准具有一定的普遍性, 是目前预测高分子材料使用寿命实验中统计分析方法的使用原则。在ASTM G166标准中主要分析了威布尔分布模型, 阐述了常用的数据统计方式。ISO 2578标准介绍了热加速老化中温度-时间关系测定方式, 这种测定方式会更加直观, 而且对于实验数据的处理也更加便捷, 所以在实际应用中有经常用到。ISO 11346主要是针对预测高分子橡胶材料寿命标准, 详细介绍了实验设计、实验数据收集方式及如何预测等等。

　　4 结论

　　预测高分子材料使用寿命已经有了很多不同的模型, 但是并没有一种模型是普遍适用的, 不同类型的模型都有一定的使用条件, 预测出的使用寿命误差不等。在收集整理传统、新型的预测方法基础上, 本文认为神经网络模型是未来预测高分子材料的一种有效方法, 通过统计方式来处理高分子材料老化, 有很强的适用性。除此之外, 使用无损检测技术来对有机高分子材料进行降解, 研究高分子材料老化机理, 组建出新的预测模型是未来发展新趋势。

　　参考文献
　　[1]黄亚江, 叶林, 廖霞, 黄光速, 淡宜, 郭少云, 陶友季, 揭敢新, 李光宪.复杂条件下高分子材料老化规律、寿命预测与防治研究新进展[J/OL].高分子通报, 2017, (10) :52-63.

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