聚丙烯材料使用壽命預測方法

李瑩

摘 要：本文研究了汽車用PP-GF30材料的熱氧老化性能，研究不同溫度對PP-GF30老化的影響，建立材料使用溫度和壽命之間的阿倫尼烏斯方程模型，推算不同使用溫度下PP-GF30的使用壽命。

關鍵詞：聚丙烯;阿倫尼烏斯公式;使用壽命

聚丙烯大分子鏈上有大量的叔碳原子，當暴露在環境中，受到光、熱的作用，容易被氧化，大分子鏈生斷裂生成活潑的自由基，這些自由基進一步引起大分子斷裂，使材料力學性能降低。本文通過分析一系列溫度條件下材料力學性能隨時間的變化規律，研究溫度對PP-GF30的影響;以物理性能下降50%作為終點，利用阿倫尼烏斯公式對發動機艙內PP-GF30材料在使用溫度下的壽命進行預估。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

PP-GF30粒料（某供應商提供）

1.2 實驗儀器

注塑機（MA1600/540G）

鼓風干燥箱（DHG-9245A）

電子萬能試驗機（Z010TE/10KN）

熔體流動速率儀（RL-Z1B1）

塑料擺錘沖擊試驗機（PIT501J）

1.3 測試方法

力學性能：拉伸強度按照GB/T 1040.1-2006 & GB/T 1040.2-2006，測試速度5mm/min;

彎曲強度按照GB/T 9341-2008，測試速度2mm/min。

熔體流動速率（MFR）：GB/T 3682-2000，負荷是2.16KG

樣品編號：1#、2#、3#、4#、5#、6#，樣品預處理條件如下：

考慮到PP-GF30用于汽車發動機，按表1規定的溫度對樣品進行預處理，根據具體的溫度和老化時間每隔24或48H，取出一組測試樣條，標準環境下放置16H后測試拉伸強度、斷裂伸長率;彎曲強度;熔體流動速度。根據GB/T 7141-2002中對臨界點的定義，選擇物理性能下降到50%時終止試驗。規定以物理性能下降最快的項目作為計算壽命的時間參數。

2 結果與討論

2.1 拉伸性能與彎曲強度損耗分析

PP-GF30的拉伸強度和彎曲強度的變化分為三個階段：第一階段強度迅速增大，第二階段強度緩慢下降，第三階段強度迅速下降。第一階段由于PP沒有完全結晶，在熱空氣老化下會慢慢結晶完全，結晶度的提高使材料的力學性能均有一定程度的增加，第二階段進入熱氧老化的引發階段，材料內部出現微弱的降解，力學性能表現為緩慢的下降;后期隨著材料中活潑的自由基濃度越來越高，材料降解速度加快，使分子鏈出現分解與斷裂，力學性能開始迅速下降。

2.2 熔體流動速率分析

PP-GF30的MFR第一階段緩慢增加，第二階段加速增加，但測試終止時PP-GF30的熔體質量流動速率與常態相比沒有太大變化。第一階段處于降解引發階段，材料的老化只發生在材料表面，PP-GF30的相對分子質量基本不發生變化或降低的極為緩慢;第二階段大分子鏈內部不斷發生斷裂，試樣的相對分子質量開始加速下降，熔體質量流動速率加速上升;由于試驗終止時，PP-GF30還沒有進入真正的降解階段，所以相對分子質量沒有很大的降低，終止時MFR和常態的MFR相比并沒有太大差異。

2.3 根據阿倫尼烏斯公式推算PP-GF30使用壽命

利用阿倫尼烏斯公式推算材料使用壽命的方法已經非常成熟，在本次的老化實驗中，斷裂伸長率是最先下降到初始狀態50%，因此以它作為推算車用PP-GF30的材料性能。

利用阿倫尼烏斯方程和化學反應關系經過數學變換并合并常數項可得：

式中，B-常數系數;Ti -不同處理溫度的開爾文溫度;ti -不同臨界點的時間，i=1，2，3，4，5。

在規定的老化溫度范圍內，活化能是常數，所以可以通過測試每個測試溫度達到臨界值時間的對數log t與相應的熱力學溫度的倒數1/T作圖，將表3的數據帶入公式（1）得到五個點，將五點擬合成直線方程，曲線如下圖所示，其關系式為：

Int= 3.4516×103/T-1.7975（2）

利用上式可以計算產品在使用溫度下的壽命

3 結論

針對PP-GF30的熱老化數據，推算材料的使用溫度和壽命的阿倫尼烏斯方程的可行性。利用熱空氣老化推算材料使用壽命的方法不僅適用于PP-GF30樹脂，而且也適用于其他塑料、橡膠材料。