試驗環境和時間對泡沫塑料性能影響的顯著性分析

佘祖新，李 茜，孫有美,3，牟獻良

（1 西南技術工程研究所，重慶400039；2重慶江津大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，重慶402260；3海南萬寧大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，海南571500）

泡沫塑料具有減震、隔熱、吸音等特性，在工業、農業、建筑、交通運輸等領域得到了廣泛應用，在包裝行業中通常作為緩沖材料使用[1]。相比被包裝品，包裝在使用過程中更容易受環境因素如熱、氧、光、水分及大氣介質等綜合影響而發生老化現象，對長期貯存的產品，包裝材料的壓縮應力等力學性能一旦顯著下降，會影響產品的裝卸和運輸安全。

針對泡沫塑料的老化性能、老化機理、性能評價等研究，我國學者[2-6]已開展了相關工作。本文的試驗和分析，目的是借助方差分析等數學手段，對試驗數據進行量化研究，提供適宜的試驗結果判定方法。

1 試驗

1.1 試驗樣品

樣品材料共三種，分別是聚乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料，樣品規格為100mm×100mm×50mm，每次用于性能檢測的平行樣5件。

1.2 試驗地點及環境條件

在國防科技工業自然環境試驗站網的江津試驗站、海南試驗站的棚下進行試驗，試驗期間的環境條件見表1。

表1 試驗環境條件Table 1 Test environmental conditions

1.3 試驗及檢測方法

采用棚下暴露自然環境試驗，樣品平放于暴露架隔板上，暴露架與地面垂直。試驗期間分別于3、6、12、18、24、36個月對樣品進行外觀檢查和壓縮應力測定。

外觀檢查主要觀察樣品表面的顏色變化、粉化、長霉、裂紋、尺寸變化等狀況。壓縮應力測定以試樣厚度50%的變形載荷量壓縮試樣，按照“GB/T 8168-2008 包裝用緩沖材料靜態壓縮試驗方法”測定壓縮應力，測試設備為AG5000A萬能材料試驗機，然后計算試驗前后壓縮應力的保留率（%）。

2 試驗結果

三年試驗，試樣未出現明顯的外觀變化。壓縮應力保留率（%）見表2。

表2 泡沫塑料試驗三年壓變50%的壓縮應力保留率（%）Table 2 The compressive stress retention rate of foam plastics tested for three years under pressure change 50%

3 方差分析

3.1 分析計算

對表2數據進行方差分析，可以獲得試驗環境對不同材料在各個時間下的影響情況。

設因素A代表環境條件，它有兩個水平（江津站、海南站），p=2；因素B代表材料品種數，有3個水平（聚乙烯、聚氨酯、聚苯乙烯），q=3；因素C代表試驗時間，有7個水平（0、3、6、12、18、24、36），r=7。取測試數據平均值進行計算，結果見表3。

表3 方差分析計算表與臨界值Table 3 Calculation table of variance analysis and critical value

3.2 顯著性判斷

由表3判斷：FA＞F0.01，A的主效應高度顯著；FB＞F0.01，B的主效應高度顯著；FC＞F0.01，C的主效應高度顯著；FAB＜F0.1，AB交互效應不顯著；FBC＞F0.01，BC交互效應高度顯著；F0.05＜FAC＜F0.01，AC交互效應顯著是存在的。

4 結果分析

4.1 試驗環境影響

從試驗結果看，材料在江津站和海南站的壓縮應力存在顯著的差異（A的主效應高度顯著）∶江津=89.2，海南=90.4。

由此可見，泡沫塑料的棚下老化在江津是快于海南的，并且這種差異不會因材料不同有顯著區別（AB交互效應不顯著）：

它表明環境地域條件對試驗結果的影響，三種材料表現一致。

高分子材料在棚下一般會受到溫度、濕度、大氣腐蝕性介質以及太陽散射光等作用，其老化過程主要是熱氧老化和水解反應，通常來說，溫度越高、濕度越大老化越嚴重，但試驗表明環境產生的熱效應不一定就是泡沫塑料性能退化的最主要原因，在一定溫濕條件下，大氣中的酸性腐蝕介質對材料的長期侵蝕影響不容被忽視。表1顯示出江津大氣中二氧化硫含量很高，約是海南站的7倍。

4.2 試驗時間影響

另外，試驗時間導致的性能降低，具有以下兩個特點：

一是不同材料有不同影響（BC交互效應高度顯著），如第三年性能下降幅度，三種材料分別為：

主要表現為老化時間對聚氨酯泡沫的影響較小。

二是在不同環境地區其影響也不相同（AC交互效應顯著存在），如第一年性能下降，江津站和海南站分別為：

兩者明顯不同。

4.3 材料品種影響

5 回歸分析

對表2數據進行回歸分析發現，泡沫塑料的壓縮應力保留率（%）K值同老化時間t（年）具有相關性，且符合指數函數K=AeBt和線性函數K=A+Bt分布規律，其中指數函數式的相關系數r值略優于線性函數式的r值，說明指數回歸更貼合于高聚物的降解反應過程。表4為指數回歸函數及壓縮應力下降50%的預測壽命，可見三種泡沫塑料的壓縮應力預測壽命年限較長，一般均能滿足包裝使用需要。

表4 泡沫塑料壓縮應力保留率的回歸函數表達式Table 4 Regression function expression of compressive stress retention rate of foam plastics

6 結論

（1）泡沫塑料的棚下老化在江津地區快于在海南地區，三種泡沫老化結果表現一致沒有顯著區別。

（2）試驗時間所導致的材料性能降低，對不同材料影響程度不同，試驗的三種材料中，聚氨酯泡沫塑料的壓縮應力保留率顯著高于其它兩種材料。

（3）對泡沫塑料老化數據進行回歸分析得出，其壓縮應力保留率同老化時間更符合指數函數分布規律，可以利用這種數學模型預測其壽命期限。