PBAT/PLA復合材料拉伸強度測量不確定度的評定

王淑敏，張宗飛，盧文新

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

測量的目的是得到被測量對象的測量結果或測量值，然而由于各種原因，如被測量對象自身定義、測量手段的不完善、人們認識的不足，使得被測量對象的真值不可知，因而測量誤差必然存在。對測量結果的測量水平和質量進行評定的指標，就是測量不確定度。測量不確定度[1](uncertainty in measurement)的定義為“表征合理賦予被測量之值的分散性，與測量結果相聯系的參數”，用標準偏差或標準偏差的倍數表示該參數的值。從詞意上理解，意味著對測量結果的有效性、可信性的不肯定程度或懷疑程度，是定量地說明測量結果質量的一個參數，其給出的是測量結果可信程度的信息，通過對不確定度進行分析可以改進測量質量。測量不確定度是計量學研究的重要內容，是測量活動的基礎。對測量不確定度的研究和使用，是保障測量結果準確可靠、推進我國與國際量值一致、融入國際測量體系的根本性基礎工作，在計量體系中具有舉足輕重的地位和作用。

2020年，隨著《關于進一步加強塑料污染治理的意見》的發布，“限塑令”進一步升級為“禁塑令”。PBAT/PLA復合材料有良好的延展性、拉伸性能、耐熱性和抗沖擊性，又具有優良的生物降解性，符合“禁塑令”的要求，廣泛應用于包裝、農業、園藝等領域。據華經產業研究院分析，在2021年全球可降解塑料產量結構占比中，PBAT、PLA兩項占比超60%，全球需求量非常大。生物降解復合材料PBAT/PLA的拉伸性能是其在應用前的一個重要測試參數。但測試過程中，許多因素(如環境、人員、儀器誤差等)對測試結果的準確性都有一定的影響[2]。因此，對測試過程中導致測量不確定度的各因素進行分析，對于更好地指導今后的測試工作十分有利，還可以使測量結果更加準確可信。

1 測量方法

1.1 測量方法

測量的依據為ISO 527-2-2012 Plastics-Deternination of tensile properties—Part 2：Test conditions for moulding and extrusion plastics[3](ISO 527-2-2012 塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件)。

1.2 原理

使用注塑機須按標準要求的尺寸和形狀進行注塑，得到符合要求的試樣。在標準規定的試驗環境中，將試樣放置在電子萬能試驗機的夾具上，采用標準要求的拉伸速率進行拉伸，測得生物降解材料的拉伸強度。

1.3 建模

根據ISO 527-2-2012，數學模型可以寫為：

拉伸強度：

式中：σ為拉伸強度，MPa；F為屈服點的拉力，N；b為試樣平行部分的寬度，mm；h為試樣平行部分的厚度，mm。

1.4 測量設備

HY-0580電子萬能試驗機(上海衡翼精密儀器有限公司)，力值范圍0～5 kN，使用5 kN傳感器。電子引伸計精度0.5級；游標卡尺，分辨率為0.02mm。

1.5 測量試樣

以生物降解材料PBAT/PLA為原料，經注塑機注塑得到ISO 527-2-2012標準規定的1A型啞鈴狀樣條，并對樣條按要求進行狀態調節。

1.6 測試過程

根據標準ISO 527-2-2012要求，在(23±2)℃、(50±10)% RH環境下，將樣條放置4h調節狀態，同時用0～150 mm游標卡尺測量樣條的標距中部的寬度和厚度。狀態調節之后，在相同環境下，將樣條安裝在試驗機上，確保其拉伸方向與試驗機的軸線一致，并且夾具松緊適宜，試驗速率為200 mm/min，最后計算拉伸強度。

2 影響測量不確定度的主要因素

本次的試驗環境滿足標準ISO 527-2-2012要求，而且在200mm/min恒定試驗速率下進行，不再考慮環境和速率的影響。生物降解材料PBAT/PLA拉伸強度的測量不確定度來源主要有重復測量(包含了人員重復測量和材質的均勻性)、試驗機的力值檢定儀器誤差、試驗力的示值誤差、試樣平行部分寬度b的測量誤差、試樣平行部分厚度h的測量誤差、檢測結果數值修約等。

3 標準不確定度分量的評定

標準不確定度是指不確定度由標準偏差的估計值表示。標準不確定度分量指的是測量結果的不確定度通常由許多影響因素引起，對每個不確定度影響因素的評定稱為標準不確定度分量。以下詳細計算單個影響因素引起的不確定度分量。

3.1 重復測量引入的標準不確定度分量μ1

依據ISO 527-2-2012標準的要求，制取試樣10個，生物降解材料PBAT/PLA拉伸強度的試驗結果見表1。

表1 生物降解材料PBAT/PLA拉伸強度的試驗結果

拉伸強度平均值：

測量重復性引入的標準不確定度是通過對10次測量的統計計算得到，采用貝賽爾公式計算10次拉伸強度的標準偏差：

所以，平時拉伸強度測試中由重復性引入的標準不確定度為：

生物降解復合材料PBAT/PLA拉伸強度平均值為45.8 MPa，所以，其相對標準不確定度為：

3.2 試驗機的力值檢定儀誤差引入的不確定度μ2

計量檢定單位是通過標準測量儀對試驗機進行力值檢定的，符合正態分布，不確定度為±0.2%，根據ISO2602[4]，置信概率為95%，置信因子k=2，因此，相對標準不確定度為：

3.3 試驗力的示值誤差引入的不確定度μ3

電子萬能試驗機經過計量檢定部門檢定，示值誤差為±0.4%，符合均勻分布，置信概率為100%，置信因子k=3，因此，生物降解材料PBAT/PLA拉伸強度的相對標準不確定為：

3.4 試樣平行部分寬度b、厚度h測量引入的不確定度μ4、μ5

按ISO 527-2-2012標準要求，制成1A型啞鈴試樣，采用千分尺測量寬度b、厚度h，分辨率為0.02mm，測量寬度b、厚度h引入的標準不確定度為：

因此，測量寬度b引入的相對標準不確定度為：

測量厚度h引入的相對標準不確定度為：

3.5 數值修約引入的不確定度μ6

根據ISO 527-2-2012標準，生物降解材料PBAT/PLA拉伸強度的結果需要保留3位有效數字，修約間隔為0.1MPa，根據JJF1059規范，考慮正態分布，則標準不確定度為：

μ6=0.1×0.29 MPa=0.03 MPa

則相對標準不確定度為：

4 合成標準不確定度

將各標準不確定度分量經過合成就可以得到合成標準不確定度。經測量和計算，在生物降解材料PBAT/PLA拉伸強度的測試過程中，各影響因素引起的不確定度分量見圖1。

圖1 拉伸強度測試中各因素引起的不確定度分量統計比較

合成相對標準不確定度為：

(i=A,B,C,D,E,F)

合成標準不確定度為：

μ(σ)=μrel(σ)×45.8=0.42%×45.8

=0.19 MPa

5 擴展不確定度

擴展不確定度可通過計算合成標準不確定度的倍數得到，其給出了測量結果可能值所在的區間。根據JJF1059.1-2012、ISO 2602：1980(2021R)，預期其服從正態分布，取95%的置信區間，置信因子k=2，則生物降解材料PBAT/PLA拉伸強度的擴展不確定度為：

U=μ(σ)×k=0.19×2=0.38 MPa

生物降解材料PBAT/PLA拉伸強度的擴展不確定度報告可以寫為：

拉伸強度σ為45.8 MPa，擴展不確定度U=0.38MPa，置信因子k=2。

6 結語

不確定度分量越小，對測量結果的分散性影響越小；分量越大，對測量結果的分散性影響越大，需要在以后的測量工作中引起重視并持續改進。從圖1可知，首先，試樣平行部分厚度測量誤差引起的不確定度分量最大，表明今后可以考慮更換分辨率更高的千分尺；其次，重復測量引起的不確定度分量較大，表明應可以對測量人員加強培訓，提高測量人員的測量水平和熟練程度，控制啞鈴型試樣的材質均勻性和降低制作啞鈴型試樣的模具尺寸偏差；第三，試驗力示值誤差引起的不確定度分量較大，在今后的測試中，考慮使用符合ISO 527-2-2012標準要求的儀器、傳感器、引伸計等。

經測量計算，生物降解材料PBAT/PLA拉伸強度σ為45.8 MPa，擴展不確定度U=0.38MPa，置信因子k=2。其意義在于，在預期符合正態分布的前提下，在(45.8±0.38)MPa的區間包含了被測量對象生物降解材料PBAT/PLA拉伸強度σ測量結果可能值的95%。