熵值法在涂層老化指標(biāo)權(quán)重確定中的應(yīng)用

羅來正，肖勇，王寶瑞，蘇艷，朱玉琴，黎小鋒，柏遇合

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶400039；2.中國兵器裝備集團(tuán)公司，北京100089；3.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331）

環(huán)境試驗(yàn)與評價(jià)

熵值法在涂層老化指標(biāo)權(quán)重確定中的應(yīng)用

羅來正1，肖勇1，王寶瑞2，蘇艷1，朱玉琴1，黎小鋒3，柏遇合1

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶400039；2.中國兵器裝備集團(tuán)公司，北京100089；3.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331）

目的從防護(hù)涂層力學(xué)性能和外觀評級兩方面綜合評價(jià)涂層老化程度。方法選取失光、變色、粉化、起泡、長霉、生銹、剝落、開裂、附著力等9項(xiàng)涂層老化指標(biāo)，運(yùn)用熵值法原理對涂層9項(xiàng)老化指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算與分析。結(jié)果運(yùn)用熵值法計(jì)算的TB06-9+TS70-60和TB06-9+TS96-71兩種防護(hù)涂層海洋大氣戶外環(huán)境暴露5年的老化綜合評價(jià)值均為3.88級，表明兩種防護(hù)涂層的抗老化性能基本一致。結(jié)論采用熵值法可以有效確定失光、變色、粉化、起泡、長霉、生銹、剝落、開裂、附著力等涂層老化指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系，為多指標(biāo)綜合評價(jià)防護(hù)涂層老化結(jié)果提供了一種客觀、真實(shí)、有效、科學(xué)的評價(jià)方法。

涂層；熵值法；權(quán)重；老化；多指標(biāo)

有機(jī)涂層因其經(jīng)濟(jì)、方便等優(yōu)點(diǎn)已成為裝備防腐蝕保護(hù)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)手段之一[1—4]，但涂層在實(shí)際應(yīng)用過程中，本身受紫外線、潮濕空氣、雨水、腐蝕介質(zhì)、干濕交替等多環(huán)境因素的綜合影響，會(huì)出現(xiàn)失光、變色、粉花、附著力下降、起泡、開裂等多種老化現(xiàn)象，喪失對基材的保護(hù)，導(dǎo)致涂層使用壽命大大縮短[5—11]，這對防護(hù)涂層使用和維護(hù)提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。為了合理評價(jià)涂層老化現(xiàn)象，提前預(yù)測涂層使用壽命，研究人員先后開展了大量研究工作[12—14]，其中，GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂層老化的評價(jià)方法》從變色、粉化、開裂、起泡、長霉、生銹、剝落等7個(gè)方面較為權(quán)威地給出了防護(hù)涂層老化等級的評定。GB/T 1766—2008在評定涂層老化時(shí)未考慮力學(xué)性能（附著力）對涂層的影響，而力學(xué)性能往往是防護(hù)涂層使用時(shí)需要考慮的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，也是評價(jià)涂層老化失效的一個(gè)非常重要指標(biāo)。目前，現(xiàn)有的涂層老化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)中，關(guān)于變色、粉化、開裂、起泡、長霉、生銹、剝落等老化指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系未明確定義，且如何通過外觀老化指標(biāo)與附著力性能綜合考核涂層老化失效也未見相關(guān)報(bào)道，這些均給涂層老化失效評價(jià)帶來很大困難。因此，如何將防護(hù)涂層的外觀評級和力學(xué)性能結(jié)合起來，采用合適的數(shù)據(jù)方法確定不同老化指標(biāo)相互之間的權(quán)重關(guān)系，并根據(jù)權(quán)重關(guān)系對防護(hù)涂層建立更科學(xué)、合理、有效的老化性能綜合評價(jià)體系，已成為涂層綜合優(yōu)選和預(yù)測涂層壽命急需解決的關(guān)鍵問題。

文中在GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂層老化的評價(jià)方法》防護(hù)涂層老化評價(jià)的基礎(chǔ)上，將變色、粉化、開裂、起泡、長霉、生銹、剝落等7項(xiàng)老化評價(jià)指標(biāo)拓展為包括附著力、失光率在內(nèi)的9項(xiàng)老化評價(jià)指標(biāo)，并采用熵值法確定這9項(xiàng)老化指標(biāo)的權(quán)重關(guān)系，首次從防護(hù)涂層力學(xué)性能和外觀老化評級兩方面綜合評價(jià)涂層老化程度。旨在建立更為科學(xué)、實(shí)用的防護(hù)涂層老化性能綜合評價(jià)指標(biāo)體系。

1 熵值法原理

目前，由于現(xiàn)行涂層老化評價(jià)方法中存在一定問題，若要更為科學(xué)、精確地研究涂層老化程度，涂層老化指標(biāo)權(quán)重確定已成為研究的關(guān)鍵，它的取值直接影響評價(jià)結(jié)果。權(quán)重確定通常有主觀賦權(quán)法和客觀權(quán)重確定法，主觀權(quán)重確定法有賴于專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)積累和關(guān)注焦點(diǎn)，具有非常大的主觀性，而客觀權(quán)重確定法按數(shù)學(xué)計(jì)算準(zhǔn)則得出各指標(biāo)權(quán)重，可避免主觀權(quán)重確定法的缺陷，充分挖掘原始數(shù)據(jù)本身蘊(yùn)涵的信息。為了避免在涂層老化指標(biāo)權(quán)重確定中受到人為的干擾，文中采用客觀權(quán)重確定法——熵值法確定涂層老化權(quán)重系數(shù)。

熵是由德國物理學(xué)家克勞修斯于1865年提出的一個(gè)熱力學(xué)概念，用于描述熱力學(xué)系統(tǒng)的無序或混亂程度。最先由Shannon引入信息論，用于表征信息源中信號的不確定性，稱為信息熵（簡稱熵），現(xiàn)已在工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[15—18]。熵值法是一種基于熵原理的客觀評價(jià)方法，能夠避免人為因素帶來的偏差。熵值法評價(jià)中的評價(jià)指標(biāo)的熵越小，表示該指標(biāo)提供的信息量越大，在綜合評價(jià)中所起的作用就越大，權(quán)重就越高。熵值法反映出在各種評價(jià)指標(biāo)值確定的情況下，各指標(biāo)在競爭意義上的相對激烈程度，它能將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合評價(jià)。

1）構(gòu)建評價(jià)矩陣：

式中：rij為第j個(gè)指標(biāo)第i個(gè)樣本的數(shù)值（j=1,2,…,n；i=1,2,…,m）。

2）計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的熵。按式（2）—（4）計(jì)算第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的熵：

式中：Hj為第j個(gè)指標(biāo)的熵值；fij為第j個(gè)指標(biāo)第i個(gè)樣本所占的比重；k為熵值系數(shù)；

當(dāng)fij=0時(shí)，fijlnfij= 0。若某一列的rij全部相等，那么fij=1/m。

3）計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。按式（5）計(jì)算第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：

式中：βj為第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

4）模糊綜合評價(jià)。將各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值和指標(biāo)數(shù)字等級代入式（6），計(jì)算得到涂層防護(hù)性能的綜合評價(jià)值：

式中：F為綜合評價(jià)值；Xj為第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)值；Wj為第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

2 案例分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，我國各項(xiàng)發(fā)展項(xiàng)目積極穩(wěn)妥地進(jìn)行，這對我國現(xiàn)代化建設(shè)具有重要意義。我國北方更新造林是現(xiàn)階段發(fā)展建設(shè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。更新造林是改善我國生態(tài)環(huán)境基本狀況的重要舉措。我國北方林業(yè)發(fā)展較快，但近年來的主要問題是樹木更新速度慢，這使得北方的森林面積逐漸減少。本研究將對當(dāng)前我國北方退耕還林改革進(jìn)行詳細(xì)的分析和思考，并提出合理的改革措施，對今后我國林業(yè)的發(fā)展起到積極的作用。

以30CrMnSiNi2A為基材，選取TB06-9鋅黃聚氨酯底漆+TS70-60聚氨酯面漆和TB06-9鋅黃聚氨酯底漆+TS96-71氟聚氨酯面漆兩種防護(hù)體系在海南萬寧試驗(yàn)站開展自然環(huán)境試驗(yàn)，試樣朝南并與水平成45°傾角，大氣暴露試驗(yàn)方法參照GB/T 9276—1996《涂層自然氣候暴露試驗(yàn)方法》執(zhí)行。試驗(yàn)暴露時(shí)間為5年，取樣周期為1，2，3，4，5年，每組平行試樣為3個(gè)，采集的試樣性能數(shù)據(jù)為外觀評級和附著力，其中，外觀評價(jià)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂層老化的評級方法》，附著力執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》。針對防護(hù)涂層暴露試驗(yàn)，按檢測周期分別對涂層的失光、變色、粉化、附著力、起泡、長霉、生銹、剝落、開裂等9項(xiàng)性能進(jìn)行檢測，兩種防護(hù)涂層海洋大氣環(huán)境下暴露5年的環(huán)境老化數(shù)據(jù)見表1。

表1 兩種涂層暴露5年試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 確定涂層老化指標(biāo)評價(jià)矩陣

根據(jù)上述分析得知，該次評價(jià)共選取失光、變色、粉化、附著力、起泡、長霉、生銹、剝落、開裂等9項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，每個(gè)評價(jià)指標(biāo)有5個(gè)樣本（5年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)），按式（1）建立兩種涂層多指標(biāo)評價(jià)矩陣如下：

2.3 計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的熵

按式（2）—（4）計(jì)算30CrMnSiNi2A+TB06-9+ TS70-60（A）防護(hù)涂層各老化指標(biāo)的熵值：失光H1=0.9896；變色H2=0.9931；粉化H3=0.8163；附著力H4=0.8144。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，起泡、長霉、生銹、剝落和開裂等5項(xiàng)性能試驗(yàn)5年的評級均為0級，均未發(fā)生變化，且被評價(jià)涂層的性能指標(biāo)值完全相同，熵值達(dá)到最大，屬于無用信息，可以從評價(jià)體系中直接去除。

30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）防護(hù)涂層各老化指標(biāo)的熵值計(jì)算結(jié)果：失光H1=0.9896；變色H2=0.9824；粉化H3=0.8614；附著力H4=0.8488。

同理，30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）防護(hù)涂層的起泡、長霉、生銹、剝落和開裂等5項(xiàng)性能試驗(yàn)5年的評級均為0級，均未發(fā)生變化，且被評價(jià)涂層的性能指標(biāo)值完全相同，熵值達(dá)到最大，屬于無用信息，可以從評價(jià)體系中直接去除。

對每個(gè)評價(jià)指標(biāo)都按式（5）計(jì)算權(quán)重，獲取兩種涂層9項(xiàng)老化指標(biāo)之間的權(quán)重值。其中，30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS70-60（A）防護(hù)涂層各老化指標(biāo)的權(quán)重為：失光權(quán)重β1=0.0028；變色權(quán)重β2=0.0019；粉化權(quán)重β3=0.0379；附著力權(quán)重β4=0.0512；起泡權(quán)重β5=0；長霉權(quán)重β6=0；生銹權(quán)重β7=0；剝落權(quán)重β8=0；開裂權(quán)重β9=0。

為了把不同的對象放在同一起跑線上比較，一般應(yīng)進(jìn)行歸一化處理，即：

30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）防護(hù)涂層各老化指標(biāo)的權(quán)重為：失光權(quán)重β1=0.0020；變色權(quán)重β2=0.0033；粉化權(quán)重β3=0.0261；附著力權(quán)重β4=0.0284；起泡權(quán)重β5=0；長霉權(quán)重β6=0；生銹權(quán)重β7=0；剝落權(quán)重β8=0；開裂權(quán)重β9=0。

為了把不同的對象放在公平起跑線上比較，一般應(yīng)進(jìn)行歸一化處理，即：

通過以上計(jì)算得知，兩種防護(hù)涂層9項(xiàng)老化指標(biāo)的權(quán)重見表2。

表2 涂層體系老化指標(biāo)權(quán)重值

2.5 涂層老化綜合評價(jià)

由表2得知，在起泡、長霉、生銹、剝落和開裂性能未發(fā)生變化前，粉化和附著力在防護(hù)涂層老化評價(jià)中占非常重要比例。將各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值和指標(biāo)數(shù)字等級代入式（6），計(jì)算得到兩種防護(hù)涂層的綜合評價(jià)值：FA=3.878，F(xiàn)B=3.883

采用熵值法求得的30CrMnSiNi2A+TB06-9+ TS70-60（A）和30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）兩種防護(hù)涂層海洋大氣戶外暴露5年的老化綜合評價(jià)值均為3.88級，約為4級，這表明兩種防護(hù)涂層的環(huán)境抗老化性能基本一致。裝備防護(hù)涂層進(jìn)行抗老化優(yōu)選時(shí)，由于兩種防護(hù)涂層抗老化性能基本相當(dāng)，因此，兩種防護(hù)涂層均可以選擇。

3 結(jié)語

文中介紹了一種基于熵值法的涂層老化指標(biāo)權(quán)重確定的方法。這是一種客觀的評價(jià)方法，克服了主觀權(quán)重的隨意性，評價(jià)結(jié)果客觀合理。這種方法可對涂層多項(xiàng)老化指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重評價(jià)，評價(jià)老化指標(biāo)不僅僅局限于GB/T 1766中變色、粉化、開裂、起泡、長霉、生銹和剝落等7項(xiàng)指標(biāo)，還可以拓展為失光、附著力、厚度等影響涂層老化失效的其它關(guān)鍵指標(biāo)，從而彌補(bǔ)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)涂層老化評價(jià)的不足，從涂層外觀、力學(xué)等多方面更為客觀、科學(xué)、實(shí)用地綜合評價(jià)涂層老化程度。

[1]NGUYEN T N,HUBBARD J B,MCFADDEN G B.A Mathematical Model for the Cathodic Blistering of Organic Coating on Steel Immersed in Electrolytes[J].J Coat Tech,1991,63(794):43—52.

[2]何淼,張鑫柱,劉偉,等.天然氣井油管有機(jī)涂層的失效分析[J].表面技術(shù),2016,45(2):17—21.

[3]劉斌,李瑛,林海潮,等.防腐蝕涂層失效行為研究進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2001,13(5):305—307.

[4]羅來正,肖勇,蘇艷,等.東南沿海氣候條件對聚氨酯涂層老化行為影響研究[J].裝備環(huán)境工程,2015,12(6): 42—47.

[5]劉丹,宋影偉,單大勇,等.鎂合金自修復(fù)涂層研究進(jìn)展[J].表面技術(shù),2016,45(12):28—35.

[6]張濤,李軍念,張燕.鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層面漆可剝離現(xiàn)象的原因分析及處理措施[J].裝備環(huán)境工程,2014,11(3): 82—86.

[7]陳東,李忠盛,吳護(hù)林,等.冷噴涂純鋁涂層耐腐蝕性能研究[J].表面技術(shù),2016,45(12):174—179.

[8]徐永祥,嚴(yán)川偉,高延敏,等.大氣環(huán)境中涂層下金屬的腐蝕和涂層的失效[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2002, 22(4):249—256.

[9]王鈾.熱噴涂納米涂層20年回顧與展望[J].表面技術(shù), 2016,45(9):1—9.

[10]潘瑩,張三平,周建龍,等.大氣環(huán)境中有機(jī)涂層的老化機(jī)理及影響因素[J].涂料工業(yè),2010,40(4):68—72.

[11]劉峰,宋弘清,黃政然,等.沿海地區(qū)輸電電塔防護(hù)涂層耐腐蝕性能研究[J].裝備環(huán)境工程,2015,12(4): 76—81.

[12]IRIGOYEN M,BARTOLOMEO P,PERRIN F X.UV Ageing Characterisation of Organic Anticorrosion Coatings by Dynamic Mechanical Analysis,Vickers Microhardness and Infro-red[J].Polymer Degradation and Stability,2001,74:59—67.

[13]NGUYEN T,HUBBARD J B,POMMERSHEI J M. Unified Model for the Degradation of Organic Coatings on Steel in a Neutral Electrolyte[J].J C T,1996,68(855): 45.

[14]YANG X F,VANG C,TALLMAN D E,et al.Weathering Degradation of a Polyurethane Coating Evaluation[J]. Polymer Degradation and Stability,2001,74:341—351.

[15]陸添超,康凱.熵值法和層次分析法在權(quán)重確定中的應(yīng)用[J].軟件開發(fā)與設(shè)計(jì),2009(11):19—20.

[16]羅紹偉.基于熵權(quán)和層次分析法的學(xué)科館員服務(wù)質(zhì)量模糊綜合評價(jià)[J].現(xiàn)代情報(bào),2009,29(8):43—47.

[17]毛太田,蔣知義.熵權(quán)評價(jià)圖書館讀者滿意度的改進(jìn)模型[J].情報(bào)雜志,2008(9):86—90.

[18]施曉清,趙景柱,歐陽志云.城市生態(tài)安全及其動(dòng)態(tài)安全評價(jià)方法[J].生態(tài)學(xué)雜志,2008,28(7):1249—1254.

Application of Entropy Method in Weight Determining of Coating Aging Index

LUO Lai-zheng1,XIAO Yong1,WANG Bao-rui2,S U Yan1,ZHU Yu-qin1,LI Xiao-feng3,BAI Yu-he1
(1.Southwest Research Institute of Technology and Engineering,Chongqing 400039,China; 2.China South Industries Group Corporation,Beijing 100089,China; 3.Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

ObjectiveTo evaluate the aging degree of protective coating comprehensively from mechanical property and appearance rating.MethodsNine coating degradation indexes of loss of gloss,color change,pulverization,foaming, mildew,rust,peeling,cracking,adhesion were selected to calculate and analyze the weight with the entropy value method.ResultsThe comprehensive evaluation values of two kinds of protective coatings of TB06-9+TS70-60 and TB06-9+ TS96-71 after marine atmospheric outdoor environment exposure for 5 years by the entropy method were 3.88.The anti-aging performance of the two protective coatings was almost the same.ConclusionThe coating degradation index weight of loss of gloss,color change,pulverization,foaming,mildew,rust,peeling,cracking,adhesion was effectively identified by the entropy method,which provides an objective,real,effective and scientific evaluation method for multi index comprehensive evaluation of protective coating aging.

coating;entropy method;weight;aging;multi index

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.014

TJ02

A

1672-9242(2017)07-0070-04

2017-04-15；

2016-05-27

羅來正（1983—），男，江西玉山人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境試驗(yàn)與環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)。