利用Matlab編程實現某扣件材料尼龍66壽命預測

陳星昊，李念林,2，李茜,2，楊萬均,3

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039； 2.海南萬寧大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，萬寧 571522；3.環境效應與防護國家重點實驗室，重慶 400039）

引言

尼龍，作為現代工業出現的第一種合成纖維，其地位在高分子材料領域是舉足輕重的。自尼龍被合成創造成功以來，其被廣泛應用于服裝、家裝、國防工業、航空航天工業等眾多領域[1]。尼龍6和尼龍66基本占據了國內尼龍產業的主要地位，并且中國已成為尼龍6和尼龍66的重要市場。

尼龍學名是聚酰胺，英文名稱Polyamide。在20世紀30年代的杜邦公司，美國科學家卡羅瑟斯利用己二酸和己二胺合成了尼龍66。尼龍6則是在20世紀40年代的拜爾公司，德國科學家用己內酰胺合成，從那以后，尼龍產業如日中天，進入了大發展的時代。由于尼龍66應用廣泛且對國防工業、航空航天工業等領域十分重要，必須使其在正常壽命周期內發揮效能，所以本文對某扣件材料尼龍66進行了平均貯存壽命預測。

1 國內外尼龍66發展狀況

1.1 國外尼龍66發展狀況

1939年前后，尼龍66產業就實現了工業化，其被廣泛應用于化纖和工程塑料等領域。從2010年開始，世界尼龍消費量以年均7.5 %左右的速度遞增，特別是在汽車行業應用最為廣泛，由于其特種制品具有耐油、耐熱、抗震、防噪音、自熄等特點，目前幾乎汽車的所有部位都有尼龍66的身影。

2017年全球尼龍66聚合物的總產量約為320萬噸，在尼龍66市場上，INVISTA、BASF等公司的產能穩居前5位，壟斷了市場上80 %的份額[1]。而尼龍66的主要原料之一的己二腈的最先進的生產技術目前已被INVISTA、RHODIA等公司所控制，實現了很大程度上的壟斷。

1.2 國內尼龍66發展狀況

國內尼龍工業起步稍晚，當時在洋務運動的大背景下，晚清政府從民主德國和西德引進了生產尼龍66聚合紡絲設備，組建成了北京合成纖維試驗廠和太原化纖廠。1988年，原國家紡織部組織引進了日本成套設備，解決了我國尼龍66長期依賴進口的問題，為尼龍66工業發展奠定了基礎[1]。2002年，中石化與Royal DSM合作，推動了國內尼龍66產業的巨大發展[2,3]。現如今，中國已成為尼龍66產業最主要的市場之一，其早已滲透進人們生活及生產的方方面面。可見，預測其平均貯存壽命是十分迫切且重要的。

2 平均貯存壽命預測試驗方法

本文中的試驗主要針對某種產品的扣件的尼龍66材料開展相應的熱老化加速試驗[4]，通過加速試驗后結果的數據處理，定量地評估此扣件材料的貯存壽命。

2.1 扣件材料貯存壽命表征參數確定

由于某種產品是用來貯存包裝物品的，并且須保證其內的物品在貯存和運輸過程中不會因為振動、跌落等意外情況出現損壞，即要求扣件材料（尼龍66）在貯存期內的沖擊強度值大于失效臨界值。綜上所述，本文試驗采用扣件材料的沖擊強度保留率作為該材料的貯存壽命表征參數。

2.2 扣件材料貯存失效判據

因為扣件材料（尼龍66）按照GJB 150.4A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法第4部分：低溫試驗》的程序I，進行了低溫沖擊強度測試，結果小于原始值的50 %，所以采用該材料沖擊強度保留率的50 %作為失效判據，并且選取1.4倍安全系數，即選取失效臨界值為0.7[5]。

3 扣件材料樣品的制備

本文試驗按照標準GB/T 1043-2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定》制備了扣件材料（尼龍66）的沖擊試樣，如圖1所示，該樣品按照產品工藝條件注塑成型。

經過檢驗，試驗樣品表面平整，無氣泡、裂紋、分層、雜質以及加工損傷等缺陷，符合標準和試驗要求[6]。

4 貯存壽命預估基本原理

由于尼龍66屬于高分子材料，在熱老化過程中，其性能保留率P與老化時間τ的關系可用經驗公式（1）進行描述[7]：

式中：

P—老化時間為τ時的性能保留率；

τ—老化時間，d；

K—性能變化的速率常數，d-1；

A—常數；

α—修正系數，常數。

如果試驗數據計算結果顯示lnP與τα線性相關關系顯著，即相關系數大于查表值時，式（1）中則α取1；如果線性關系不顯著，參數α采用逐次逼近法計算獲得。逼近準則是α精確到小數點后兩位時，使式（2）中 I最小[7]：

式中：

圖1 沖擊試樣示意圖

老化特性指標變化的速率常數K與溫度T的關系服從Arrhenius方程[7]見式（3）：

式中：

T—絕對溫度，K；

E—表觀活化能，J·mol-1；

Z—頻率因子，d-1；

R—氣體常數，J·K-1·mol-1。

通過熱老化試驗數據可計算得出不同溫度條件下的老化速率常數，進而可外推預測貯存溫度（通常為25 ℃）條件下的老化速率常數。根據確定的失效臨界值，可以在置信度為95 %和貯存溫度為25 ℃條件下，計算出相應產品的貯存壽命。

5 平均貯存壽命計算過程

5.1 熱老化試驗

參照GB/T 7141-2008《塑料熱老化試驗方法》、GJB 92.1-1986《熱空氣老化法測定硫化橡膠貯存性能導則 第一部分 試驗規程》 并且選定50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃和90 ℃5個溫度條件開展熱老化試驗，具體試驗步驟如下：按確定的5個溫度條件，將熱老化試驗箱設置到所需要的溫度，待穩定2 h后，將試樣一起均勻放置于試驗箱中，并記錄試驗時間；試驗時間達到預定的取樣檢測周期，即從熱老化試驗箱中取出一組試樣并且按要求進行測試；當試驗時間到達最后一個取樣周期（96天），或已經明顯失效，則停止試驗，取出試樣，按要求進行測試[8]。本文試驗在熱老化試驗箱中開展，試驗情況如圖2所示。

5.2 扣件材料（尼龍66）沖擊強度測試

每到一個取樣周期，便從熱老化試驗箱中取出試樣，在標準實驗室環境（23 ℃±2 ℃）下放置24 h后，使用WPM沖擊試驗機進行沖擊強度測試，并且記錄下該沖擊強度值。

5.3 扣件材料沖擊強度保留率計算

沖擊強度保留率按式（4）計算獲得：

式中：

PS—該扣件材料第i次取樣樣品沖擊強度保留率，%；

Ii—該扣件材料第i次取樣樣品沖擊強度值，kJ/m2；

I0—該扣件材料沖擊強度值原始值，kJ/m2。

5.4 利用Matlab編程實現扣件材料沖擊強度數據處理

式（1）中α稱為修正系數，當lnP與時間τ線性關系不顯著時，需要α取某定值來增強lnP與時間τ的線性關系[6]。修正系數α取值的準則為：采用逐次逼近法，當α取值在0到1變化時，使式（2）的值最小。由于式（2）涉及多次累加的計算，需要利用Matlab編程加以實現。利用Matlab編程實現數據處理的具體步驟如下：

5.4.1 讀取原始數據

圖2 熱老化試驗情況

表1 扣件材料（尼龍66）沖擊強度試驗數據

如表1所示是沖擊強度試驗數據，表格坐標（1，1）是扣件材料（尼龍66）沖擊強度原始值87.58 kJ/m2，不包括原始數據在內的第一列數據是試驗的老化時間，單位是天，而第一行是老化試驗溫度，單位是攝氏度。其余的數據是各個溫度下各個老化時間下的試驗數據，其中數據為0表示試驗數據缺失。將表1數據讀入程序待后續處理，Matlab主要程序代碼如下：

yssj = xlsread(＇ C:UsersAdministratorDesktop沖 擊強度原始數據-7-20.xlsx＇)；%讀取試驗數據

ysxn = yssj(1,1)；%讀取原始性能數據

chicun = size(yssj)；%讀取試驗數據表格大小

5.4.2 計算修正系數α

修正系數α從0.01開始，每次增加0.01直到修正系數α等于1為止，即修正系數α需要取100個值使得式（2）的值最小。Matlab主要程序代碼如下：

arf = 0.01; %給α賦初值為0.01

b_lnKsum = 0;

tem_rldsum = 0;

a_Acnt = 0;

LXX = 0;

LYY = 0;

LXY = 0;

cnt1 = 0;

lnPsum = 0;

lhtimesum = 0;

I = zeros(1,100); %給I賦初值為0

I(1,g)=I(1,g)+power((XN_ys(p,t)-a_Apj*exp(-exp(a_xn+b_xn*

tem_rlds(t))*power(yssj(p,1),arf))),2); %計算I的值

for x = 1:100 %尋找當I最小時的α值

if I(1,x)

ansarf = x/100;

temp = I(1,x);

end

end

5.4.3 計算常溫下的貯存壽命

當找到是式（2）最小值的α值后，就可以計算出常溫下的貯存壽命，Matlab主要程序代碼如下：

for l = 2:chicun(1,2)

LXX_xn1 = power((tem_rlds(l)-xnpj_x1),2)+LXX_xn1;

LYY_xn1 = power((b_lnK1(l)-xnpj_y1),2)+LYY_xn1;

LXY_xn1 = (tem_rlds(l)-xnpj_x1)*(b_lnK1(l)-xnpj_y1)+LXY_xn1;

end

b_xnz = LXY_xn1/LXX_xn1;

a_xnz = xnpj_y1-b_xnz*xnpj_x1;

r_xnz = LXY_xn1/sqrt(LXX_xn1*LYY_xn1);

Ks_pj = exp(a_xnz+b_xnz*(1/(25+273)));

sm_pj =exp(1/ansarf*(log(log(a_Apj1/0.7))-log(Ks_pj)));

tn_pj = sm_pj/365;

S = sqrt((1-power(r_xnz,2))*LYY_xn1/(chicun(1,2)-3));

S_y = S*sqrt(1+1/(chicun(1,2)-1)+power(1/(25+273)-xnpj_x1,2)/LXX_xn1);

t = 2.353;

Ks_sx = exp(a_xnz+t*S_y+b_xnz*(1/(25+273)));

sm_sx =exp(1/ansarf*(log(log(a_Apj1/0.7))-log(Ks_sx)));

tn_sx = sm_sx/365.

6 試驗結果與分析

利用Matlab編程計算結果可得到5個老化溫度下的擬合方程，見表2。

從表2中可以看出，5個溫度下的lnP與τα線性相關系數都大于查表值，說明兩者的線性關系顯著。

根據Matlab程序計算結果，可得到貯存溫度（25 ℃）下的各參數值，如表3所示。

表2 扣件材料（尼龍66）沖擊強度保留率與時間擬合方程

表3 25 ℃下扣件材料沖擊強度保留率變化參數計算結果

將式（1）作一定的等式變換，可得貯存溫度下（25 ℃）的壽命計算公式為：

式中：

P0—貯存壽命的性能指標臨界值，取0.7。

將上述數據代入式（5）中可得，τ=18.71a。

7 結論

通過加速老化試驗方法，并結合使用與貯存的條件，研究了貯存時間對某扣件材料尼龍66沖擊強度保留率的影響，基于高分子材料性能指標變化與老化時間關系式以及Arrhenius模型，并加以利用Matlab編程計算，得到了某扣件材料尼龍66在貯存溫度下的壽命為18.71a。該實驗結果可作為評估尼龍66扣件制品貯存壽命的參考依據。