聚丙烯材料使用壽命預(yù)測(cè)方法

李瑩

摘 要：本文研究了汽車(chē)用PP-GF30材料的熱氧老化性能，研究不同溫度對(duì)PP-GF30老化的影響，建立材料使用溫度和壽命之間的阿倫尼烏斯方程模型，推算不同使用溫度下PP-GF30的使用壽命。

關(guān)鍵詞：聚丙烯;阿倫尼烏斯公式;使用壽命

聚丙烯大分子鏈上有大量的叔碳原子，當(dāng)暴露在環(huán)境中，受到光、熱的作用，容易被氧化，大分子鏈生斷裂生成活潑的自由基，這些自由基進(jìn)一步引起大分子斷裂，使材料力學(xué)性能降低。本文通過(guò)分析一系列溫度條件下材料力學(xué)性能隨時(shí)間的變化規(guī)律，研究溫度對(duì)PP-GF30的影響;以物理性能下降50%作為終點(diǎn)，利用阿倫尼烏斯公式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)PP-GF30材料在使用溫度下的壽命進(jìn)行預(yù)估。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

PP-GF30粒料（某供應(yīng)商提供）

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

注塑機(jī)（MA1600/540G）

鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9245A）

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（Z010TE/10KN）

熔體流動(dòng)速率儀（RL-Z1B1）

塑料擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（PIT501J）

1.3 測(cè)試方法

力學(xué)性能：拉伸強(qiáng)度按照GB/T 1040.1-2006 & GB/T 1040.2-2006，測(cè)試速度5mm/min;

彎曲強(qiáng)度按照GB/T 9341-2008，測(cè)試速度2mm/min。

熔體流動(dòng)速率（MFR）：GB/T 3682-2000，負(fù)荷是2.16KG

樣品編號(hào)：1#、2#、3#、4#、5#、6#，樣品預(yù)處理?xiàng)l件如下：

考慮到PP-GF30用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，按表1規(guī)定的溫度對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)具體的溫度和老化時(shí)間每隔24或48H，取出一組測(cè)試樣條，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下放置16H后測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率;彎曲強(qiáng)度;熔體流動(dòng)速度。根據(jù)GB/T 7141-2002中對(duì)臨界點(diǎn)的定義，選擇物理性能下降到50%時(shí)終止試驗(yàn)。規(guī)定以物理性能下降最快的項(xiàng)目作為計(jì)算壽命的時(shí)間參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能與彎曲強(qiáng)度損耗分析

PP-GF30的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的變化分為三個(gè)階段：第一階段強(qiáng)度迅速增大，第二階段強(qiáng)度緩慢下降，第三階段強(qiáng)度迅速下降。第一階段由于PP沒(méi)有完全結(jié)晶，在熱空氣老化下會(huì)慢慢結(jié)晶完全，結(jié)晶度的提高使材料的力學(xué)性能均有一定程度的增加，第二階段進(jìn)入熱氧老化的引發(fā)階段，材料內(nèi)部出現(xiàn)微弱的降解，力學(xué)性能表現(xiàn)為緩慢的下降;后期隨著材料中活潑的自由基濃度越來(lái)越高，材料降解速度加快，使分子鏈出現(xiàn)分解與斷裂，力學(xué)性能開(kāi)始迅速下降。

2.2 熔體流動(dòng)速率分析

PP-GF30的MFR第一階段緩慢增加，第二階段加速增加，但測(cè)試終止時(shí)PP-GF30的熔體質(zhì)量流動(dòng)速率與常態(tài)相比沒(méi)有太大變化。第一階段處于降解引發(fā)階段，材料的老化只發(fā)生在材料表面，PP-GF30的相對(duì)分子質(zhì)量基本不發(fā)生變化或降低的極為緩慢;第二階段大分子鏈內(nèi)部不斷發(fā)生斷裂，試樣的相對(duì)分子質(zhì)量開(kāi)始加速下降，熔體質(zhì)量流動(dòng)速率加速上升;由于試驗(yàn)終止時(shí)，PP-GF30還沒(méi)有進(jìn)入真正的降解階段，所以相對(duì)分子質(zhì)量沒(méi)有很大的降低，終止時(shí)MFR和常態(tài)的MFR相比并沒(méi)有太大差異。

2.3 根據(jù)阿倫尼烏斯公式推算PP-GF30使用壽命

利用阿倫尼烏斯公式推算材料使用壽命的方法已經(jīng)非常成熟，在本次的老化實(shí)驗(yàn)中，斷裂伸長(zhǎng)率是最先下降到初始狀態(tài)50%，因此以它作為推算車(chē)用PP-GF30的材料性能。

利用阿倫尼烏斯方程和化學(xué)反應(yīng)關(guān)系經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換并合并常數(shù)項(xiàng)可得：

式中，B-常數(shù)系數(shù);Ti -不同處理溫度的開(kāi)爾文溫度;ti -不同臨界點(diǎn)的時(shí)間，i=1，2，3，4，5。

在規(guī)定的老化溫度范圍內(nèi)，活化能是常數(shù)，所以可以通過(guò)測(cè)試每個(gè)測(cè)試溫度達(dá)到臨界值時(shí)間的對(duì)數(shù)log t與相應(yīng)的熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T作圖，將表3的數(shù)據(jù)帶入公式（1）得到五個(gè)點(diǎn)，將五點(diǎn)擬合成直線方程，曲線如下圖所示，其關(guān)系式為：

Int= 3.4516×103/T-1.7975（2）

利用上式可以計(jì)算產(chǎn)品在使用溫度下的壽命

3 結(jié)論

針對(duì)PP-GF30的熱老化數(shù)據(jù)，推算材料的使用溫度和壽命的阿倫尼烏斯方程的可行性。利用熱空氣老化推算材料使用壽命的方法不僅適用于PP-GF30樹(shù)脂，而且也適用于其他塑料、橡膠材料。