CN110927050B - 一种利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法 - Google Patents

一种利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，通过对聚苯乙烯材料在任一选择地区开展太阳跟踪聚光加速老化试验，建立环境严酷度模型，基于环境严酷度模型计算太阳跟踪聚光加速老化试验相对PS在实际使用地区自然老化的加速倍率，用来预测PS材料在实际使用地区自然环境中的服役寿命。本方法采用的环境严酷度模型，可以计算加速老化试验相对任意地区的加速倍率，通过对PS材料在任一选择地区的一次太阳跟踪聚光加速老化试验，就可以预测PS材料在任意地区的服役寿命，能够有效减少试验工作量和提高服役寿命预测的准确度。

Description

一种利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役 寿命的方法
技术领域
本发明涉及一种预测聚苯乙烯材料服役寿命的试验方法，具体指一种利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法。
背景技术
聚苯乙烯(PS)作为五大通用塑料之一，具有刚性大、质量轻、流动性好、易着色、电绝缘性好等优点，广泛应用于包装、建材、汽车、电子等户外产品中。
以往，PS材料的服役寿命快速预测主要通过人工加速老化实验来实现，试验方法包括氙灯加速老化、紫外灯加速老化等方法。人工加速老化试验虽然周期短、时效快，但是人工光源与自然光光谱存在较大差异，同时也忽略了昼夜温差、季节变化及空气活性组分等因素的影响，不能完全、真实地反映自然环境中全部因素，有时出现加速老化试验与自然老化试验相关性较低的现象。
而太阳跟踪聚光加速老化试验是一种利用太阳跟踪聚光装置，聚集太阳光中的紫外线，同时增加样品试验温度，通过强化紫外线辐射量和温度实现加速老化试验的目的，通常加速倍率可达8～10倍。由于太阳聚光加速试验直接使用太阳光源，且在自然环境下进行，因而试验结果与实际服役结果有较好的相关性。此外，相对于人工加速试验，太阳跟踪聚光加速老化试验成本相对氙灯试验低。
因此，基于太阳跟踪聚光加速老化试验，建立和发展对PS材料服役寿命预测方法，对准确预测材料及其产品的使用寿命，近而改进材料配方的筛选，提高材料耐老化性能方面有重要作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，用来预测聚苯乙烯材料在某一地区自然环境中的服役寿命。
本发明的上述目的通过如下的技术方案来实现：一种利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，其特征在于，该方法通过对聚苯乙烯材料在任一选择地区开展太阳跟踪聚光加速老化试验，建立环境严酷度模型，基于环境严酷度模型计算太阳跟踪聚光加速老化试验相对PS在实际使用地区自然老化的加速倍率，用来预测PS材料在实际使用地区自然环境中的服役寿命。
本发明中，所述环境严酷度模型建立步骤如下：：
步骤(1)：通过安装在所述选择地区的太阳跟踪聚光加速老化试验装置上的太阳辐照表、温湿度传感器，记录一段时间内，太阳跟踪聚光加速老化试验装置样品架表面的总太阳紫外辐照量(记为Ir1)、年平均温度(记为T1)、年平均相对湿度(记为RH1)；
步骤(2)：在PS材料的实际使用地区(记为地区A)，对该地区的长期气候环境条件进行监测和分析，得到该地区影响高分子材料老化的主要气候环境条件，该主要气候环境条件包括太阳辐照、环境温度和相对湿度数据，监测时间不短于3年；根据监测数据，记录地区A的年太阳紫外辐照总量(记为IrA)、年平均温度(记为TA)、年平均相对湿度(RHA)；
步骤(3)：环境严酷度模型的模型如下式所示：
Figure BDA0002265407880000021
式中：
fA为环境严酷度指数；
Tf为温度每上升10℃对材料的加速因子，根据材料的种类确定；
x为有效太阳辐照因子，根据材料的种类确定；
y为有效相对湿度因子，根据材料的种类确定；
Ir1为太阳跟踪聚光加速老化试验中的年太阳紫外辐照总量，单位为兆焦每平方米(MJ/m2)；
RH1为太阳跟踪聚光加速老化试验中的年平均相对湿度；
T1为太阳跟踪聚光加速老化试验中的年平均温度，单位为摄氏度(℃)；
IrA为地区A的年太阳紫外辐照总量，单位为兆焦每平方米(MJ/m2)；
RHA为地区A的年平均相对湿度；
TA为地区A的年平均温度，单位为摄氏度(℃)；
对于PS材料而言，Tf＝1.41，x＝0.74，y＝0.31，则环境严酷度模型的模型可以转化为如下：
Figure BDA0002265407880000031
将步骤(1)和步骤(2)中记录的Ir1、T1、RH1、IrA、TA、RHA数值代入式2，计算出环境严酷度fA的值，该值即为太阳跟踪聚光加速老化试验相对地区A的加速倍率。
本发明所述预测PS在实际使用地区服役寿命(tA)通过以下获得：
tA＝t1×fA (式3)
其中t1为PS在所述选择地区太阳跟踪聚光加速老化试验中的失效时间；fA为太阳跟踪聚光加速老化试验相对实际使用地区的加速倍率。
本发明上述所述PS在所述选择地区太阳跟踪聚光加速老化试验中的失效时间通过以下步骤获得：
步骤(a)：PS样品在开展试验前对样品的保光率进行测试，测试不少于N个样品，结果取N个样品测试的算术平均值，记为样品的初始性能值；
步骤(b)：对PS样品在所述选择地区开展太阳跟踪聚光加速老化试验，定期测试PS样品的保光率，每次定期测试不少于M个样品，参考步骤(a)的初始性能值以获得PS样品失效时间(t1)，结果取M个样品测试的算术平均值。
本发明上述步骤(b)：对PS样品开展太阳跟踪聚光加速老化试验，每次定期测试的间隔不超过240小时；如果PS在进行定期测试时其性能值低于初始性能值的50％，则该定期测试的时间为PS在太阳跟踪聚光加速老化试验中的失效时间；停止太阳跟踪聚光加速老化试验的时间不得早于该失效时间。
本发明中，所述步骤(a)中，根据拟考察的关键性能的测试要求制备PS样品；比如，若考察PS的光学性能如色差或观察表面形态变化，则PS样品通过注塑成型；所述PS样品为长宽高为60mm×80mm×3mm的样板；若考察PS的机械性能如拉伸强度，则按相关测试标准制备哑铃形、长方形等样品；在开展试验前对样品拟考察的关键性能(如保光率或拉伸强度)进行测试，测试不少于3个样品即N为大于等于3的自然数。
本发明中，所述步骤(1)中，该一段时间为10-12个月。
本发明中，所述步骤(b)中，每次定期测试不少于3个样品，即M为大于等于3的自然数。
与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：
(1)本方法采用的太阳跟踪聚光加速老化试验，和普通自然老化试验相比，能够有效节省试验时间；和氙灯加速老化试验相比，能够得到更好的相关性，提高服役寿命预测的准确度；
(2)本方法采用的环境严酷度模型，可以计算加速老化试验相对任意地区的加速倍率，通过对PS材料在任一选择地区的一次太阳跟踪聚光加速老化试验，就可以预测PS材料在任意地区的服役寿命，能够有效减少试验工作量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
图1是采用本发明的方法开展的太阳跟踪聚光加速试验中PS样品的保光率变化图；
图2是为检验采用本发明的预测的服役寿命而开展的自然暴露试验中PS样品在凤凰城的保光率变化图；
图3是为检验采用本发明的预测的服役寿命而开展的自然暴露试验中PS样品在吐鲁番的保光率变化图。
具体实施方式
应用本发明的方法预测PS材料在美国凤凰城和新疆吐鲁番的服役寿命，具体步骤如下：
(1)制备PS样品，则PS样品通过注塑法制备尺寸为60mm×80mm×3mm的样板；在开展试验前对样品的保光率进行测试，测试3个样品，结果取多次测试的算术平均值，记为样品的初始性能值；
(2)在美国凤凰城(作为选择地区)开展太阳跟踪聚光加速试验，记录在2018年全年的时间内，太阳跟踪聚光加速老化试验装置样品架表面的总太阳紫外辐照量(Ir1)、年平均温度(T1)、年平均相对湿度(RH1)，得到如下结果：
Ir1＝1271.03(MJ/m2)
T1＝28.0(℃)
RH1＝31.7(％)
(3)分别对美国凤凰城和新疆吐鲁番开展的气候环境条件进行统计分析，得到以上地区的2016-2018年间的年太阳紫外辐照总量(记为IrA)、年平均温度(记为TA)、年平均相对湿度(RHA)的数据，如表1所示：
表1：美国凤凰城和新疆吐鲁番开展的气候环境条件统计分析表
Figure BDA0002265407880000051
(4)在美国凤凰城开展PS材料的太阳跟踪聚光加速试验。在试验开始前测试PS样品的初始60°角光泽度，试验开始后每间隔240小时(10天)，进行PS样品的60°角光泽度测试，每次测试的60°角光泽度数值占初始数据的百分比即为样品的保光率。PS样品的保光率随着试验时间延长的变化如图1所示。记录PS样品保光率数值下降至50％的时间，大约为930小时，则PS在太阳跟踪聚光加速老化试验中的失效时间为930小时，即t1＝930h。
(5)计算PS材料在凤凰城的预测服役寿命。根据式2计算太阳跟踪聚光加速老化试验相对凤凰城(选择试验地区也作为实际使用地区)的加速倍率，如下所示：
Ir1＝1271.03(MJ/m2)
T1＝28.0(℃)
RH1＝31.7(％)
IrA＝316.49(MJ/m2)
TA＝22.9(℃)
RHA＝31.7(％)
则
Figure BDA0002265407880000052
根据式3，PS在凤凰城服役寿命tA＝t1×fA＝930×3.33＝3134h
所以PS在凤凰城的预测服役寿命为3097小时，约129天。
(6)计算PS材料在吐鲁番(实际使用地区)的预测服役寿命。根据式2计算太阳跟踪聚光加速老化试验相对凤凰城的加速倍率，如下所示：
Ir1＝1271.03(MJ/m2)
T1＝28.0(℃)
RH1＝31.7(％)
IrA＝265.13(MJ/m2)
TA＝17.5(℃)
RHA＝27.9(％)
则
Figure BDA0002265407880000061
根据式3，PS在吐鲁番的服役寿命tA＝t1×fA＝930×4.84＝4427h
所以PS在吐鲁番的预测服役寿命为4427小时，约184.5天。
(7)通过开展自然暴露试验，对计算的预测服役寿命进行检验。在凤凰城和吐鲁番开展PS材料的自然暴露试验，在试验开始前测试PS样品的初始60°角光泽度，试验开始后每间隔1个月，进行PS样品的60°角光泽度测试，每次测试的60°角光泽度数值占初始数据的百分比即为样品的保光率。PS样品在凤凰城的保光率随着试验时间延长的变化如图2所示，PS样品在吐鲁番的保光率随着试验时间延长的变化如图3所示。
根据图2的数据，记录PS样品在凤凰城保光率数值下降至50％的时间，大约为3220小时，则PS在凤凰城实际的失效时间为3220小时，和预测寿命3097小时非常接近，误差只有3.81％。一般误差在5％内均说明预测准确度极高。
根据图3的数据，记录PS样品在吐鲁番保光率数值下降至50％的时间，大约为4600小时，则PS在凤凰城实际的失效时间为4600小时，和预测寿命4427小时非常接近，误差只有3.76％。
因此采用本发明的方法对PS材料进行的服役寿命预测准确度较高。
本实施例中对PS在凤凰城和吐鲁番的服役寿命预测方法同样可以应用于预测PS在其他任何地区的服役寿命，其方法与上述实施例相同。
本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明的方法做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，其特征在于，该方法通过对聚苯乙烯材料在任一选择地区开展太阳跟踪聚光加速老化试验，建立环境严酷度模型，基于环境严酷度模型计算太阳跟踪聚光加速老化试验相对聚苯乙烯在实际使用地区自然老化的加速倍率，用来预测聚苯乙烯材料在实际使用地区自然环境中的服役寿命；
所述环境严酷度模型建立步骤如下：
步骤（1）：通过安装在所述选择地区的太阳跟踪聚光加速老化试验装置上的太阳辐照表、温湿度传感器，记录一段时间内，太阳跟踪聚光加速老化试验装置样品架表面的总太阳紫外辐照量（记为Ir 1 ）、年平均温度（记为T 1 ）、年平均相对湿度（记为RH 1 ）；
步骤（2）：在聚苯乙烯材料的实际使用地区（记为地区A），对该地区的长期气候环境条件进行监测和分析，得到该地区影响高分子材料老化的太阳辐照、环境温度和相对湿度数据；根据监测数据，记录地区A的年太阳紫外辐照总量（记为I rA ）、年平均温度（记为T A ）、年平均相对湿度（RH A ）；
步骤（3）：环境严酷度模型的模型公式为：
Figure 572354DEST_PATH_IMAGE001
f A 的值即为太阳跟踪聚光加速老化试验相对实际使用地区A的加速倍率。
2.根据权利要求1所述的利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，其特征在于：所述预测聚苯乙烯在实际使用地区服役寿命（t A ）通过以下获得：
t A = t 1 ×f A
其中t 1 为聚苯乙烯在所述选择地区太阳跟踪聚光加速老化试验中的失效时间；f A 为太阳跟踪聚光加速老化试验相对实际使用地区的加速倍率。
3.根据权利要求2所述的利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，其特征在于：所述聚苯乙烯在任一选择地区太阳跟踪聚光加速老化试验中的失效时间通过以下步骤获得：
步骤（a）：聚苯乙烯样品在开展试验前对样品的保光率进行测试，测试不少于N个样品，结果取N个样品测试的算术平均值，记为样品的初始性能值；
步骤（b）：对聚苯乙烯样品在任一选择地区开展太阳跟踪聚光加速老化试验，定期测试聚苯乙烯样品的保光率，每次测试不少于M个样品，参考步骤（a）的初始性能值以获得聚苯乙烯样品失效时间（t 1 ），结果取M个样品测试的算术平均值。
4.根据权利要求3所述的利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，其特征在于：所述步骤（a）中，N为大于等于3的自然数。
5.根据权利要求1所述的利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，该一段时间为10-12个月。
6.根据权利要求3所述的利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，其特征在于：所述步骤（b）中，M为大于等于3的自然数。
7.根据权利要求3或6所述的利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，其特征在于：所述步骤（b）中，每次定期测试的间隔不超过240小时。
8.根据权利要求7所述的利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，其特征在于：所述步骤（b）中，如果聚苯乙烯在进行定期测试时其性能值低于初始性能值的50%，则该定期测试的时间为聚苯乙烯在太阳跟踪聚光加速老化试验中的失效时间（t 1 ）；停止太阳跟踪聚光加速老化试验的时间不得早于该失效时间。
9.根据权利要求1所述的利用太阳跟踪聚光加速老化试验预测聚苯乙烯材料服役寿命的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，监测时间不短于3年。
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