CN114023401A - 一种家具用乳胶海绵的寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于橡胶材料寿命预测方法。目的是提供一种试验过程简单、性能检测方便快捷、预测准确度高的家具用乳胶海绵的寿命预测方法。技术方案是：一种家具用乳胶海绵的寿命预测方法，包括以下步骤：1)根据乳胶家具使用的环境特点和现有的相关性耐候测试方法，采用温度为试验参数，采用乳胶海绵的白度指标作为对乳胶海绵进行寿命预测的依据；2)选择加速老化数学模型，对乳胶海绵样品进行老化试验；3)对老化试验数据进行处理，获得白度指数的Arrhenius图，确定老化数学模型中的修正参数；4)确定某一温度下乳胶海绵寿命，然后由计算公式推算出其他任意温度条件下的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于橡胶材料寿命预测方法，具体是一种家具用乳胶海绵寿命的预测方法。
技术背景
随着人们的生活水平提高，如今的家居床垫、枕头、沙发等产品除了继续使用聚氨酯海绵、棕垫等为原材料外，也不断采用新型的海绵材料。其中乳胶海绵是使用最常见、透气性最好的一种。其具有的回弹力强、防螨防菌、透气性好、健康环保等优点，倍受广大消费者青睐，其安全性能方面的要求日益被社会关注。
然而乳胶家具产品作为一种新型材料产品，但在使用过程中乳胶海绵材料易受到热、氧、湿、紫外线、介质等老化因素影响，出现变黄、掉渣、开裂等现象。这些将严重影响乳胶家具产品的使用寿命，降低乳胶家具使用的安全性，给使用者带来不必要的困扰。而热、氧又是影响老化最重要的两个因素。
目前，针对橡胶类弹性体材料的寿命预测方法及试验方案，均采用加速老化实验，加速老化过程。对老化后的材料性能进行性能测试，结合试验结果，进行剩余寿命预测。性能测试主要对压缩变形率、拉伸强度、拉伸模量等力学性能。该类试验检测方法繁琐、工作量大，使用范围也仅限于具有优质实验设备的研究院或高校。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种试验过程简单、性能检测方便快捷、预测准确度高的家具用乳胶海绵的寿命预测方法。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种家具用乳胶海绵的寿命预测方法，包括以下步骤：
1)根据乳胶家具使用的环境特点和现有的相关性耐候测试方法，采用温度为试验参数，采用乳胶海绵的白度指标作为对乳胶海绵进行寿命预测的依据；
2)选择加速老化数学模型，对乳胶海绵样品进行老化试验；
3)对老化试验数据进行处理，获得白度指数的Arrhenius图，确定老化数学模型中的修正参数；
4)确定某一温度下乳胶海绵寿命，然后由计算公式推算出其他任意温度条件下的使用寿命；
所述步骤(2)中的加速老化数学模型采用Arrhenius模型：
式中：k为温度T时的反应速度常数；A表示指前因子，为常数；e为自然对数的底；Ea表示乳胶海绵的活化能，单位为J·mol-1；R为摩尔气体常数；单位J·mol-1·K-1；T为绝对温度，单位K；
所述步骤4)中的计算公式为：
式中：Ta为a温度条件下的使用寿命；Ka为a温度条件下的反应速率，k为反应速度常数；T为使用寿命；τ为安全系数。
所述步骤2)中的老化试验方法是：通过设定加速老化试验箱的温度，对乳胶海绵样品进行不同温度的老化试验；再通过色度仪对不同温度老化试验的乳胶海绵样品进行白度检测。
所述步骤3)中对老化试验的数据进行处理的方法是：
(1)对Arrhenius模型的两边同时取自然对数
(2)将各温度下样品老化试验后的白度数据，分别采用最小二乘法进行线性拟合，得到公式(3)：
P＝kt+b (3)
式中：P为乳胶样品白度；t为老化时间；k为在该温度下的反应速度；
(3)将各个温度条件下的反应速率k代入公式(2)，并进行最小二乘法拟合，得出白度指数的Arrhenius图；从而确定活化能为老化数学模型中的修正参数。
所述步骤2)中的老化试验的具体做法是：将裁剪好的样品放入干燥箱中干燥40-50h，干燥完成后均匀悬挂至加速老化试验箱中；分别将加速老化试验箱设置为120℃、100℃、80℃、70℃开始老化试验；试验开始后，每个试验温度需对乳胶海绵的白度检测13-18次，每隔相同的时间间隔进行一次取样检测。
本发明的有益效果是：本发明提供的方法，试验过程简单、性能检测方便快捷、寿命预测准确度高，实用性也强。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明实施例不同老化温度下白度变化趋势图。
图3为本发明实施例白度数据的Arrhenius图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例作进一步详细描述。
用于家具乳胶海绵白度的寿命预测方法，包括以下步骤(参见图1)：
1、分析乳胶家具使用的环境特点和现有的相关性耐候测试方法，确认试验参数为:温度；采用乳胶海绵的白度性能作为进行寿命预测的依据。
2、选择加速老化数学模型，对乳胶海绵样品进行老化试验，并确定相关试验数据作为老化数学模型中的修正参数；
1)加速老化数学模型采用Arrhenius模型(阿伦尼乌斯公式)；
式中：k为温度T时的反应速度常数；A表示指前因子，为常数；e为自然对数的底；Ea表示乳胶海绵的活化能，单位为J·mol-1；R为摩尔气体常数；单位J·mol-1·K-1；T为绝对温度，单位K；
2)所述老化试验的方法是：通过设定加速老化试验箱的温度，获取不同温度下老化试验结果；再通过色度仪对不同温度下的老化试验乳胶海绵样品进行白度检测。
具体做法，可将裁剪好的样品放入干燥箱中干燥40-50h，干燥完成后均匀悬挂至加速老化试验箱中；分别将加速老化试验箱设置为120℃、100℃、80℃、70℃开始老化试验；试验开始后，每个试验温度需对乳胶海绵的白度检测13-18次，每隔相同的时间间隔进行一次取样检测。
3)对老化试验数据进行处理的方法是：
(1)对Arrhenius模型，两边同时取自然对数；得：
(2)将各温度下样品老化后的白度数据，分别采用最小二乘法进行线性拟合，得出不同温度下白度的变化速率(参见图2)；
可得到公式：
P＝kt+b (3)
公式(3)中P为乳胶样品白度；t为老化时间；k即为在该温度下的反应速度；
(3)将不同温度条件下的反应速率代入公式(2)；并进行最小二乘法拟合，得出白度指数的Arrhenius图；获得活化能参数；
4)根据时温等效原理，先确定某一温度下乳胶海绵寿命，然后采用计算公式(4)计算其他温度条件下乳胶海绵的使用寿命：
式中：Ta为a温度条件下的使用寿命；Ka为a温度条件下的反应速率；k为反应速度常数；T为使用寿命；τ为安全系数。
实施例
1)试验材料:乳胶海绵；尺寸:125mm×25mm×10mm。试验样品不宜过大，限制扩散氧化现象。
2)将裁剪好的样品放入干燥箱中，干燥48h。干燥完成后均匀悬挂至加速老化试验箱中。分别将加速老化试验箱设置为120℃、100℃、80℃、70℃开始老化试验。试验开始后，每个设定温度下需要对乳胶海绵的白度检测13-20次，每次检测间隔相同的时间进行取样检测；
确定120℃下乳胶的使用寿命。以失效50％为准则，120℃下乳胶海绵的使用寿命为84h(3.5d)。
3)确定活化能步骤如下：
首先建立Arrhenius模型：
公式(1)中k为温度T时的反应速度常数；A表示指前因子，为常数；e为自然对数的底；Ea表示乳胶海绵的活化能，单位为J·mol-1；R为摩尔气体常数；单位J·mol-1·K-1；T为绝对温度，单位K。
两边同时取自然对数，进行线性变换，线性化得到公式(3)
W＝C+DX (3)
式中,W＝lnk，C＝lnA，D＝-Ea/R，
将各温度下样品老化后的白度数据，分别采用最小二乘进行线性拟合(见图2)，得公式：
P＝kt+b (4)
公式(4)中的P为乳胶样品白度指数，对应于公式(2)中的lnk；公式(4)中的t为老化时间，对应于公式(2)中的1/T；公式(4)中的k为在该温度下的反应速度，对应于公式(2)中的-Ea/R；公式(4)中的b为截距，对应于公式(2)中的lnA。
各温度下样品试验拟合后的反应速率见表1
表1温度与反应速率k关系
将各个温度条件下的反应速率k代入公式(2)；为方便计算，画出lnk与1000/T关系曲线(为图面清晰，将1/T扩大1000倍作图)，并进行最小二乘再次拟合，得出白乳胶海绵的Arrhenius曲线图(见图3)。再次拟合后的具体参数见表2。
表2 Arrhenius曲线图相关参数表
如图3所示，白乳胶海绵的Arrhenius曲线图为一线性函数；根据表2数据，由公式Ea＝-DR，可计算出乳胶海绵的活化能为Ea＝11.28×8.314＝93.78kJ、mol,lnA＝29.77。
4)上述步骤(2-2)中确定使用寿命步骤如下
(1)白度P的退化量是时间与退化速率的线性函数，如公式(5)所示，
公式(5)中kT为T温度条件下反应速率(即白度退化速率)，tT为T温度下使用寿命。
P＝kT×tT (5)
(2)根据时温等效原理，利用公式(2)计算出其他温度条件下乳胶海绵的反应速率；并根据实验测得120℃高温条件下乳胶海绵使用寿命与反应速率，再利用公式(6)计算出其他温度条件下乳胶海绵的使用寿命。
公式(6)中ta为a温度条件下使用寿命；ka为a温度条件下实验反应速度常数，k120为120℃条件下的反应速率；t120为120℃条件下的使用寿命；τ为安全系数。
以失效50％为准则，进行30℃条件下使用寿命预测。已知120℃下乳胶海绵的使用寿命为84h(3.5d)。将T＝303.15K代入公式(2)，可知30℃的反应速率
由公式(6)，安全系数τ取3，可知
约为17.6年。
即在30℃条件下,乳胶海绵的使用寿命约为17.6年。
Claims (4)
1.一种家具用乳胶海绵的寿命预测方法，包括以下步骤：
1)根据乳胶家具使用的环境特点和现有的相关性耐候测试方法，采用温度为试验参数，采用乳胶海绵的白度指标作为对乳胶海绵进行寿命预测的依据；
2)选择加速老化数学模型，对乳胶海绵样品进行老化试验；
3)对老化试验数据进行处理，获得白度指数的Arrhenius图，确定老化数学模型中的修正参数；
4)确定某一温度下乳胶海绵寿命，然后由计算公式推算出其他任意温度条件下的使用寿命；
所述步骤2)中的加速老化数学模型采用Arrhenius模型：
式中：k为温度T时的反应速度常数；A表示指前因子，为常数；e为自然对数的底；Ea表示乳胶海绵的活化能，单位为J·mol-1；R为摩尔气体常数；单位J·mol-1·K-1；T为绝对温度，单位K；
所述步骤4)中的计算公式为：
式中：Ta为a温度条件下的使用寿命；Ka为a温度条件下的反应速率；k为反应速度常数；T为使用寿命；τ为安全系数。
2.根据权利要求1所述的家具用乳胶海绵的寿命预测方法，其特征在于：
所述步骤2)中的老化试验方法是：通过设定加速老化试验箱的温度，对乳胶海绵样品进行不同温度的老化试验；再通过色度仪对不同温度老化试验的乳胶海绵样品进行白度检测。
3.根据权利要求2所述的家具用乳胶海绵的寿命预测方法，其特征在于：所述步骤3)中对老化试验数据进行处理的方法是：
(1)对Arrhenius模型的两边同时取自然对数
(2)将各温度下样品老化试验后的白度数据，分别采用最小二乘法进行线性拟合，得到公式(3)：
P＝kt+b (3)
式中：P为乳胶样品白度；t为老化时间；k为在该温度下的反应速度；
(3)将各个温度条件下的反应速率k代入公式(2)，并进行最小二乘法拟合，得出白度的Arrhenius图；从而确定活化能为老化数学模型中的修正参数。
4.所述老化试验的方法是：将裁剪好的样品放入干燥箱中干燥40-50h，干燥完成后均匀悬挂至加速老化试验箱中；分别将加速老化试验箱设置为120℃、100℃、80℃、70℃开始老化试验；试验开始后，每个试验温度需对乳胶海绵的白度检测13-18次，每隔相同的时间间隔进行一次取样检测。
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