基于模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法的熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能評(píng)估

陳艷君，張勇飛

（南昌大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南昌 330029）

0 引言

作為農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物快速熱解的液態(tài)產(chǎn)物，熱解油中包含大量醛類與酚類等活性物質(zhì)，具有可再生、成本低等優(yōu)勢(shì)，在樹脂合成領(lǐng)域中能夠取代以往普遍使用的化石資源[1]。熱解油脲醛樹脂膠合性能較高，制備成本較低，制備過程中熱解油內(nèi)包含的醛類物質(zhì)能夠同尿素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成穩(wěn)定的酰胺與胺，能夠提升氮肥緩釋率，發(fā)揮生態(tài)微環(huán)境的生物調(diào)節(jié)功能[2]。并且，熱解油脲醛樹脂在使用過程中僅釋放較低的甲醛量，不會(huì)對(duì)環(huán)境與人體造成危害。因此可將熱解油脲醛樹脂取代以往普遍使用的膠粘劑。

熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能的優(yōu)劣是不同制備材料（影響因素）同時(shí)存在、相互影響的結(jié)果。當(dāng)前針對(duì)熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能的評(píng)估只能針對(duì)單一指標(biāo)進(jìn)行描述[3]，尚未綜合考慮多方面影響因素的共同作用。由于影響熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能的因素較多，不同因素對(duì)熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能的影響具有漸變性[4]。在這些影響熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能因素構(gòu)成的指標(biāo)體系內(nèi)，不同因素之間的關(guān)聯(lián)性較為復(fù)雜，甚至部分影響因素對(duì)熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度的影響程度無法給予準(zhǔn)確評(píng)估，不同影響因素的評(píng)估結(jié)果也較為模糊。

針對(duì)這種模糊性，本研究在評(píng)估熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能時(shí)采用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法，利用該方法定量化分析影響熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能因素的一些定性描述，從熱解油脲醛樹脂制備材料與環(huán)境角度出發(fā)，通過全方位描述評(píng)價(jià)因素，提升評(píng)估結(jié)果的可靠性。

1 熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能評(píng)估方法

1.1 熱解油脲醛樹脂制備

1.1.1 材料

熱解油脲醛樹脂制備過程中所用的材料如表1所示。

表1 熱解油脲醛樹脂制備過程中所用的材料

1.1.2 儀器

熱解油脲醛樹脂制備過程中所用的儀器如下：FA1204C型電子分析天平；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度儀；PHS-3C型酸度計(jì)；DHG-9030型電熱鼓風(fēng)干燥箱；NH-4型數(shù)顯水浴鍋；JCMSTTJ型推臺(tái)鋸；WDW-SOD型人造板萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)。

1.1.3 制備方法

熱解油脲醛樹脂制備過程中各主要材料配比為：甲醛、尿素與熱解油比為1.2:1:0.25。

利用電子分析天平稱取固定量的甲醛、總量分別為60%和55%的尿素與熱解油，將材料同時(shí)置入反應(yīng)釜內(nèi)，利用攪拌器對(duì)混合材料進(jìn)行攪拌。通過四次酸堿值調(diào)節(jié)處理混合溶液，過程如下：

步驟1：通過加入NaOH溶液使得混合材料的酸堿度達(dá)到8.0。在0.6h內(nèi)對(duì)混合溶液進(jìn)行均勻升溫處理，令其溫度達(dá)到90±2℃，保溫0.5h。

步驟2：利用甲酸溶液將混合材料的酸堿值調(diào)節(jié)至4.1±0.3，均勻升溫至87±2℃，保溫0.7h。

步驟3：利用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)混合材料酸堿值，令其酸堿值達(dá)到8.0，同時(shí)添加總量為25%的尿素，對(duì)混合材料進(jìn)行均勻升溫處理，令其溫度上升至87±2℃，保溫0.5h。

步驟4：在混合材料中添加總量為45%的熱解油與總量為15的尿素，令混合材料酸堿值維持在8.0，對(duì)混合材料進(jìn)行降溫處理，令其溫度降至70℃，保持0.5h。

對(duì)四次酸堿值調(diào)節(jié)過后的混合材料進(jìn)行即刻降溫處理，令其溫度降至40℃，出料獲取熱解油脲醛樹脂樣本。

根據(jù)上述過程，制備不同材料比重與不同制備溫度條件下的熱解油脲醛樹脂樣本，分別命名為樣本1、樣本2、樣本3和樣本4。

1.2 基于模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法的熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能評(píng)估

1.2.1 模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法基本原理

在本質(zhì)上可將模糊數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)法理解為是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)構(gòu)建的一種模糊線性變換[5]。模糊數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)法根據(jù)最大隸屬度原則與模糊變換理論，結(jié)合同待評(píng)估事物關(guān)聯(lián)水平較高的不同因素，對(duì)待評(píng)估事物進(jìn)行綜合評(píng)估。模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法內(nèi)，選取評(píng)估指標(biāo)、確定權(quán)重集和計(jì)算單因素評(píng)估向量等過程是影響待評(píng)估事物評(píng)估結(jié)果可靠性的核心。利用模糊數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)法可構(gòu)建較為科學(xué)有效的事物評(píng)估體系。

模糊數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)法的基本步驟如下：

步驟1：確定待評(píng)估對(duì)象；

步驟2：分析造成評(píng)估結(jié)果的不同因素，構(gòu)建評(píng)估因素集合，用A={a1,a2,...,an}表示，其中n表示整數(shù)。

步驟3：獲取評(píng)估結(jié)果，構(gòu)建評(píng)語等級(jí)集合，用b={b1,b2,...,bn}表示，其中n表示整數(shù)。

步驟4：獲取因素集A={a1,a2,...,an}與評(píng)語集b={b1,b2,...,bn}之間的線性變換，用R表示，其在本質(zhì)上是一種模糊變換。

步驟5：同時(shí)考慮評(píng)語對(duì)不同影響因素的影響程度，構(gòu)建權(quán)重集合，用Z={z1,z2,...,zn}表示，其中n表示整數(shù)。

步驟6：以G=Z⊕R{g1,g2,...,gn}表示模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法的評(píng)估結(jié)果集合，其中元素gi表示評(píng)語對(duì)評(píng)估結(jié)果的隸屬程度，隸屬度越高說明評(píng)估結(jié)果精度越高。

權(quán)重是評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)整體評(píng)估的貢獻(xiàn)程度。在對(duì)待評(píng)估對(duì)象性能進(jìn)行評(píng)估時(shí)，權(quán)重的確定對(duì)于評(píng)估結(jié)果的優(yōu)化極為重要。在計(jì)算權(quán)重的過程中，利用層次分析法建立評(píng)估矩陣H，其計(jì)算公式如式(1)所示：

表2所示為層次分析法確定的標(biāo)度值及含義。

表2 標(biāo)度值及其含義

層次分析法求解過程包括兩個(gè)主要部分：

1）通過求解特征方程得到解的特征向量X=(x1,x1,...,xn)和最大特征值λmax，基于此獲取權(quán)重向量：

1.2.2 評(píng)估過程

選取甲醛比重、尿素比重、熱解油比重、甲酸溶液、氫氧化鈉溶液與溫度等材料作為熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能影響因素，構(gòu)建評(píng)估因素集合。結(jié)合熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能綜合指數(shù)E評(píng)估上述所制備的熱解油脲醛樹脂樣本抗壓強(qiáng)度性能。公式描述如式(3)所示：

式(3)內(nèi)，zi和gi分別表示不同影響因素的權(quán)重與S型隸屬度函數(shù)內(nèi)相應(yīng)的隸屬度值。S型隸屬度函數(shù)的因素越高說明熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能越好。當(dāng)其值達(dá)到相應(yīng)臨界值后，其效用也逼近平衡，公式描述如式(4)所示：

式(4)內(nèi)，x表示不同影響因素的評(píng)估值。

將熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能指數(shù)分為四個(gè)等級(jí)，分別是：一級(jí)（綜合指數(shù)高于85）；二級(jí)（綜合指數(shù)在65～85之間）；三級(jí)（綜合指數(shù)在35～65之間）；四級(jí)（綜合指數(shù)低于35）。

在此基礎(chǔ)上，確定不同影響因素的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值結(jié)果，如表3所示。

表3 不同評(píng)價(jià)因子的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

2 評(píng)估結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文提出的基于模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法的熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能評(píng)估方法的實(shí)際使用性能，采用本文方法進(jìn)行熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如下。

2.1 不同影響因子的縱向?qū)Ρ?/h3>

利用本文方法對(duì)所制備的熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能進(jìn)行評(píng)估，得到各熱解油脲醛樹脂樣本抗壓強(qiáng)度評(píng)估值，結(jié)果如表4～表7所示。

表4 樣本1評(píng)估結(jié)果

表5 樣本2評(píng)估結(jié)果

表6 樣本3評(píng)估結(jié)果

表7 樣本4評(píng)估結(jié)果

分析上述結(jié)果可知，甲醛比重上限值最高為23.00%，溫度上限值最高為97.5℃，兩者均出現(xiàn)在樣本3中。甲酸溶液比重上限值最高為23.88%，氫氧化鈉溶液比重上限值最高為34.96%，兩者均出現(xiàn)在樣本4內(nèi)。尿素比重上限值最高為1.93%，出現(xiàn)在樣本1內(nèi)。熱解油比重上限值最高為51.33%，出現(xiàn)在樣本3內(nèi)。

甲醛比重下限值最低為8.13%、熱解油比重下限值最低為33.17%、溫度限值最低為22.5℃，三者均出現(xiàn)在樣本1內(nèi)。甲酸溶液比重下限值最低為14.96%，出現(xiàn)在樣本2內(nèi)，氫氧化鈉溶液比重下限值最低為26.10%，同樣出現(xiàn)樣本2內(nèi)。尿素比重下限值最低為1.25%，出現(xiàn)在樣本3內(nèi)。

2.2 相關(guān)系數(shù)矩陣構(gòu)造

本文方法評(píng)估過程中利用層次分析法構(gòu)造各樣本內(nèi)不同影響因素相關(guān)性判斷矩陣，結(jié)果如表8～表11所示。

表8 樣本1相關(guān)系數(shù)矩陣

表9 樣本2相關(guān)系數(shù)矩陣

表10 樣本3相關(guān)系數(shù)矩陣

表11 樣本4相關(guān)系數(shù)矩陣

根據(jù)表8～表11計(jì)算各影響因素權(quán)重值，所得結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同樣本內(nèi)各影響因素權(quán)重值計(jì)算結(jié)果

分析圖1發(fā)現(xiàn)，尿素比重是影響熱解油脲醛樹脂樣本抗壓強(qiáng)度性能的主要因素，甲醛比重的權(quán)重在不同影響因素中最低，各影響因素在不同樣本內(nèi)的權(quán)重的差異較為顯著。

2.3 不同樣本抗壓強(qiáng)度性能對(duì)比

不同樣本抗壓強(qiáng)度性能綜合指數(shù)如圖2所示。

圖2 不同樣本抗壓強(qiáng)度性能綜合指數(shù)

分析圖2得到，熱解油脲醛樹脂樣本抗壓強(qiáng)度性能綜合指數(shù)排序?yàn)椋簶颖?抗壓強(qiáng)度性能綜合指數(shù)最高，達(dá)到71.30，抗壓強(qiáng)度性能達(dá)到二級(jí)；樣本4抗壓強(qiáng)度性能綜合指數(shù)次之，達(dá)到70.02，抗壓強(qiáng)度性能達(dá)到三級(jí)；樣本2抗壓強(qiáng)度性能綜合指數(shù)排名第三，達(dá)到61.38，抗壓強(qiáng)度性能達(dá)到三級(jí)；樣本1抗壓強(qiáng)度性能綜合指數(shù)最低，為21.80，抗壓強(qiáng)度性能為四級(jí)。

3 結(jié)語

本文研究基于模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法的熱解油脲醛樹脂抗壓強(qiáng)度性能評(píng)估方法。在制備不同材料比重與不同溫度條件下的樣本后，采用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法，以抗壓強(qiáng)度性能綜合指數(shù)為指標(biāo)，對(duì)各樣本抗壓強(qiáng)度性能進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估結(jié)果顯示，尿素比重是影響熱解油脲醛樹脂樣本抗壓強(qiáng)度性能的主要因素，評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)實(shí)完全吻合，說明所提方法具有可靠性。