有機高分子材料使用壽命預(yù)測研究

摘 要：受使用環(huán)境的影響，有機高分子材料的性能會發(fā)生變化，用時越長那么有機高分子材料就可能會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會伴隨有機高分子材料的使用中。在生產(chǎn)領(lǐng)域，為了提升有機高分子材料的使用壽命和性能，很多研究人員都對高分子材料的使用環(huán)境、壽命等等進行了很多研究。收集整理前人科研工作者的成果，歸納了預(yù)測有機高分子材料使用壽命的科學(xué)有效方法，同時闡述、總結(jié)了最新的預(yù)測方法，除此之外，還展望了高分子材料的未來發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高分子材料；壽命；預(yù)測研究

有機高分子材料在我國各行各業(yè)當(dāng)中都有極其廣泛的使用，但是有機高分子材料在實際使用過程中受到使用環(huán)境的影響，其使用性能和使用壽命都會受到很大的影響。所以，對有機高分子材料進行研究，提升其使用性能能夠很大程度上降低有機高分子材料的使用壽命，同時還可以降低資源的損耗，這對于有機高分子材料的使用有很大的經(jīng)濟意義。除此之外，對有機高分子材料進行研究，了解材料老化的根本原因，掌握其變化規(guī)律，有助于科研人員采取有效措施來降低其老化時間，提升使用壽命。

對于有機高分子材料的研究，國內(nèi)外很多研究者多做出了深入研究，有了很多成果，本文對其成果進行收集整理，從傳統(tǒng)措施、新技術(shù)兩個維度對預(yù)測有機高分子材料使用壽命方法進行了闡述，同時明確了判斷有機高分子材料的標準。

1 傳統(tǒng)預(yù)測高分子材料壽命方法

1.1 自然老化和人工氣候老化

同時將有機高分子材料置于自然環(huán)境和模擬自然環(huán)境中，測試高分子材料到達指定性能時的耗時，找出不同環(huán)境下高分子材料之間的區(qū)別，找出其方程關(guān)系，并且根據(jù)此方程來有效預(yù)測高分子材料的使用壽命。這種傳統(tǒng)的預(yù)測方法和實驗環(huán)境有很大的關(guān)系，同時在自然環(huán)境下有機高分子材料有很強的分散性，在真實實驗過程中，需要投入很多時間、精力和試驗件，整個實驗周期持續(xù)時間比較長，所以，在對實驗結(jié)果進行推廣時會遇到很多實際環(huán)境制約。

1.2 耐候性預(yù)測方程式

真實氣候環(huán)境復(fù)雜多變，很多科研工作者根據(jù)實際經(jīng)驗總結(jié)出了經(jīng)驗關(guān)系式，在關(guān)系式中考慮光照、熱度、空氣、水分等等因素，按照不同的比重以一定系數(shù)來表示不同環(huán)境因素對高分子材料的影響。在實際使用過程中，測量環(huán)境各種因素來確定不同因素的系數(shù)值，將其影響系數(shù)代入經(jīng)驗方程式中即可預(yù)測有機高分子材料的使用壽命，判斷其老化率。

這種經(jīng)驗關(guān)系式受經(jīng)驗的影響比較大，無法準確反映出環(huán)境因素和有機高分子材料之間的關(guān)系。

1.3 加速老化實驗預(yù)測法

這種加速老化實驗預(yù)測法包括：基于反應(yīng)機理的實驗方法、添加劑損失方法、外推法和隨機過程模型方法。

基于反應(yīng)機理的實驗方法最早是由Gillen學(xué)者提出，根據(jù)環(huán)境的降解機制判斷出高分子材料聚乙烯和光照輻射量之間的關(guān)系，當(dāng)光照輻射量是0的時候，高分子材料的使用壽命無限長。Colin學(xué)者提出在有機高分子材料當(dāng)中含有一些不穩(wěn)定的化學(xué)物，在光照輻射量是0的時候，高分子材料的使用壽命也是有限的。Pine認為高分子材料的使用壽命和光照、輻射、時間有關(guān)系，高分子材料的反應(yīng)速度包括光照反應(yīng)速度和輻射反應(yīng)速度，其準確展現(xiàn)了高分子材料和環(huán)境之間的變化關(guān)系。

添加劑損失方法最早是由Malk學(xué)者提出，其使用該模型預(yù)測了含穩(wěn)定劑的LDPE和PP的使用壽命。其模型為：α=（M∞-Ms）/ M∞，M∞指的是在有機高分子材料中添加劑原始值，Ms指的是為在某一時刻高分子材料當(dāng)中所含添加劑的值。使用這種模型對高分子材料進行的壽命預(yù)測和自然條件下高分子材料的自然老化有很大的相似性。

2 新型預(yù)測高分子材料壽命方法

2.1 老化誘導(dǎo)期內(nèi)變化預(yù)測

對高分子材料在誘導(dǎo)期內(nèi)的出現(xiàn)的變化進行觀察以預(yù)測其壽命，不需要等到高分子材料完全失效后，出現(xiàn)的新型預(yù)測方法有氧化率測試和化學(xué)發(fā)光方法。對高分子材料的氧化率進行測試能夠反映出材料性能的變動，使用這種預(yù)測方法的前提是高分子材料的氧化率和材料性能關(guān)系是固定的?；瘜W(xué)發(fā)光方法基礎(chǔ)是氫過氧化物的含量和化學(xué)發(fā)光之間呈現(xiàn)正比例變化的關(guān)系，氫過氧化物是高分子材料降解的一種產(chǎn)物。

2.2 累積破壞與宏觀性能結(jié)合

這種預(yù)測方法主要是基于累計破壞理論，指的是高分子材料性能的失效是在使用過程中各種因素綜合影響的結(jié)果。Chaitanya學(xué)者根據(jù)這一理論提出了預(yù)測高分子材料壽命新方法：根據(jù)材料破壞累積效應(yīng)，來處理材料老化測試實驗中各項數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，進而模擬出高分子材料壽命。

2.3 耗損方法

這種預(yù)測方法最早是由Gillen學(xué)者提出，假設(shè)高分子材料的講解符合時溫等效模型，不同溫度下高分子材料的老化和時間呈正比例變化，將在低溫下放置的高分子材料之后放到高溫條件下，根據(jù)實驗找出高分子材料的性能和時間之間的比例變化關(guān)系，從而使用時溫轉(zhuǎn)換模型來得到材料在低溫下性能變化趨勢。

3 預(yù)測高分子材料壽命評判標準

目前在高分子材料領(lǐng)域已經(jīng)有了很多預(yù)測模型，也已建立起壽命評判標準，在高分子材料領(lǐng)域經(jīng)常使用的標準有：

在IEEE Std 101-1987標準中詳細解釋了在高分子材料熱加速老化實驗中統(tǒng)計分析的使用。ASTM G169標準具有一定的普遍性，是目前預(yù)測高分子材料使用壽命實驗中統(tǒng)計分析方法的使用原則。在ASTM G166標準中主要分析了威布爾分布模型，闡述了常用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方式。ISO 2578標準介紹了熱加速老化中溫度-時間關(guān)系測定方式，這種測定方式會更加直觀，而且對于實驗數(shù)據(jù)的處理也更加便捷，所以在實際應(yīng)用中有經(jīng)常用到。ISO 11346主要是針對預(yù)測高分子橡膠材料壽命標準，詳細介紹了實驗設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)收集方式及如何預(yù)測等等。

4 結(jié)論

預(yù)測高分子材料使用壽命已經(jīng)有了很多不同的模型，但是并沒有一種模型是普遍適用的，不同類型的模型都有一定的使用條件，預(yù)測出的使用壽命誤差不等。在收集整理傳統(tǒng)、新型的預(yù)測方法基礎(chǔ)上，本文認為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是未來預(yù)測高分子材料的一種有效方法，通過統(tǒng)計方式來處理高分子材料老化，有很強的適用性。除此之外，使用無損檢測技術(shù)來對有機高分子材料進行降解，研究高分子材料老化機理，組建出新的預(yù)測模型是未來發(fā)展新趨勢。

參考文獻：

[1]黃亞江，葉林，廖霞，黃光速，淡宜，郭少云，陶友季，揭敢新，李光憲.復(fù)雜條件下高分子材料老化規(guī)律、壽命預(yù)測與防治研究新進展[J/OL].高分子通報，2017，（10）：52-63.

作者簡介：楊澍懷（1995-），男，安徽樅陽縣人，專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)。