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  • [原创] 聚合物材料的寿命问题

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  • shituo
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  • 发表于:2018-11-26 10:50:32

聚合物材料的寿命问题

文/石拓

聚合物材料在使用过程中的老化,不但与使用的环境有关,而且与材料受到的应力-应变(或用途)有关。相同的材料,在相同环境中,因为用途的不同,它的老化速率是不会相同的。

老化速率被定义为,材料的性能失去对时间的变化率,如果用N表示聚合物材料的性能失去,t表示聚合物材料使用的时间,老化速率用v表示,那么,老化速率表示为:

λ=λ(x,t)=dN/dt

事实上,聚合物材料在使用过程中,虽然由于老化造成了性能下降,但是下降的速率比较缓慢,因此在一定的时间t内,不会因为老化引起材料的性能下降,而使得材料失去使用价值,即所谓的“失效”。

但是,随着使用时间t的延续,因为材料的老化,总能使得材料性能下降到,大于设计容许(设定)性能失去的临界值,这个临界值用符号Nm表示。假如,聚合物材料因为老化而性能下降的值大于设定的临界值Nm,那么就标志了材料的失效,或者说标志了材料使用寿命的终结。

定义4.1.1聚合物材料S在确定的使用环境下,由于老化而失效,所经历的时间t,称为S的使用时间,又称使用寿命,或者老化寿命,简称寿命。

聚合物材料在使用的过程中,高分子链的化学结构,随时间将会发生复杂的化学变化,例如高分子主链的无规则断裂,造成了高分子的分子量下降,分子量分布变宽等变化。这种分子结构意义上的变化,虽然缓慢,但对聚合物材料的性能,尤其是机械性能、热性能等变化,极为敏感。

聚合物材料的热氧老化,是最为常见的一种老化。成型加工过程中的高温,自然环境中的温度、辐射等,都是热氧老化的主要因素。热氧老化的速率,与热氧温度关系密切。所以,聚合物的热氧老化,始终伴随着材料的使用过程

高能辐射能够破坏高分子的化学键,使得聚合物材料老化加速。因此,限制了聚合物材料,在高能辐射场合下的应用,除非进行有效的稳定防护。除此之外,生物对聚合物材料侵蚀,也是不可忽略的因素,例如霉菌的侵蚀,也是加速聚合物老化的原因,影响聚合物材料的使用寿命。

长时期作用在聚合物材料结构件上的作用力,尤其是交变作用力,将会造成聚合物材料高分子链的主价键断裂,最终在宏观上表现为裂纹,继而因为裂纹扩展失效。这种老化过程,通常被认为是应力(抵抗外力的反作用力)老化。聚合物材料的应力老化,同样伴随着材料使用的整个过程。

至今为止,关于聚合物材料老化的机理,除了极少数几种类型,极大多数则是知之甚少。即便是已知了的几种类型,也没有完全的深入了解。但是,可以肯定的是,聚合物材料老化的主要的原因,是因为高分子链的降解与交联。

根据老化与高分子链的降解、交联有关的事实,假如,由于高分子链的降解、交联,使得聚合物材料性能下降,那么可以推断,聚合物材料由于老化而性能下降(失去)的量,是一份一份的,这是因为,高分子的降解是一个高分子一个高分子的降解,或者一次一次的交联,因此在宏观上表现为性能是一份一份的失去。

假如用“单位”作为度量聚合物性能的话,那么可以表述为:聚合物材料因为老化而性能失去(下降),是一个单位一个单位的失去(下降)。

因为,聚合物在老化过程中,高分子链的降解与交联的量,存在着不确定性。所以,聚合物的老化过程,是一个随机过程。不过,老化寿命(时间)与性能之间,存在函数关系,最为明显的是,聚合物材料性能失去的量随时间增加。

因此,我们可以建立聚合物材料老化性能与使用寿命的数学模型。利用数学模型,研究聚合物材料综合使用寿命,以及使用寿命的可靠性分析。

1987年,我们开始了聚合物材料老化寿命可靠性的研究[1][2][3],并取得了一定的进展。

我在1987年的中国兵工学会非金属学会年会上,报告了论文“高分子材料老化的可靠性分析”[1]。此文后来在《合肥工业大学学报》(自然科学版)(1989年)上发表[2]。

1991年,我们在《应用科学学报》杂志发表了,题为“聚合物材料老化的随机过程模型”(The stochastic process model of aging of polymer materials,1991年)的论文[3]。论文系统的论述了聚合物材料的老化,给出了老化的数学模型,并且讨论了在恒定应力作用下,聚合物材料老化寿命的可靠性。