熵值法在涂层老化指标权重确定中的应用

罗来正，肖勇，王宝瑞，苏艳，朱玉琴，黎小锋，柏遇合

（1.西南技术工程研究所，重庆400039；2.中国兵器装备集团公司，北京100089；3.重庆电子工程职业学院，重庆401331）

环境试验与评价

熵值法在涂层老化指标权重确定中的应用

罗来正1，肖勇1，王宝瑞2，苏艳1，朱玉琴1，黎小锋3，柏遇合1

（1.西南技术工程研究所，重庆400039；2.中国兵器装备集团公司，北京100089；3.重庆电子工程职业学院，重庆401331）

目的从防护涂层力学性能和外观评级两方面综合评价涂层老化程度。方法选取失光、变色、粉化、起泡、长霉、生锈、剥落、开裂、附着力等9项涂层老化指标，运用熵值法原理对涂层9项老化指标进行权重计算与分析。结果运用熵值法计算的TB06-9+TS70-60和TB06-9+TS96-71两种防护涂层海洋大气户外环境暴露5年的老化综合评价值均为3.88级，表明两种防护涂层的抗老化性能基本一致。结论采用熵值法可以有效确定失光、变色、粉化、起泡、长霉、生锈、剥落、开裂、附着力等涂层老化指标之间的权重关系，为多指标综合评价防护涂层老化结果提供了一种客观、真实、有效、科学的评价方法。

涂层；熵值法；权重；老化；多指标

有机涂层因其经济、方便等优点已成为装备防腐蚀保护中应用最广泛的技术手段之一[1—4]，但涂层在实际应用过程中，本身受紫外线、潮湿空气、雨水、腐蚀介质、干湿交替等多环境因素的综合影响，会出现失光、变色、粉花、附着力下降、起泡、开裂等多种老化现象，丧失对基材的保护，导致涂层使用寿命大大缩短[5—11]，这对防护涂层使用和维护提出了严峻考验。为了合理评价涂层老化现象，提前预测涂层使用寿命，研究人员先后开展了大量研究工作[12—14]，其中，GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂层老化的评价方法》从变色、粉化、开裂、起泡、长霉、生锈、剥落等7个方面较为权威地给出了防护涂层老化等级的评定。GB/T 1766—2008在评定涂层老化时未考虑力学性能（附着力）对涂层的影响，而力学性能往往是防护涂层使用时需要考虑的一个非常关键的因素，也是评价涂层老化失效的一个非常重要指标。目前，现有的涂层老化评价标准和文献中，关于变色、粉化、开裂、起泡、长霉、生锈、剥落等老化指标之间的权重关系未明确定义，且如何通过外观老化指标与附着力性能综合考核涂层老化失效也未见相关报道，这些均给涂层老化失效评价带来很大困难。因此，如何将防护涂层的外观评级和力学性能结合起来，采用合适的数据方法确定不同老化指标相互之间的权重关系，并根据权重关系对防护涂层建立更科学、合理、有效的老化性能综合评价体系，已成为涂层综合优选和预测涂层寿命急需解决的关键问题。

文中在GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂层老化的评价方法》防护涂层老化评价的基础上，将变色、粉化、开裂、起泡、长霉、生锈、剥落等7项老化评价指标拓展为包括附着力、失光率在内的9项老化评价指标，并采用熵值法确定这9项老化指标的权重关系，首次从防护涂层力学性能和外观老化评级两方面综合评价涂层老化程度。旨在建立更为科学、实用的防护涂层老化性能综合评价指标体系。

1 熵值法原理

目前，由于现行涂层老化评价方法中存在一定问题，若要更为科学、精确地研究涂层老化程度，涂层老化指标权重确定已成为研究的关键，它的取值直接影响评价结果。权重确定通常有主观赋权法和客观权重确定法，主观权重确定法有赖于专家知识、经验积累和关注焦点，具有非常大的主观性，而客观权重确定法按数学计算准则得出各指标权重，可避免主观权重确定法的缺陷，充分挖掘原始数据本身蕴涵的信息。为了避免在涂层老化指标权重确定中受到人为的干扰，文中采用客观权重确定法——熵值法确定涂层老化权重系数。

熵是由德国物理学家克劳修斯于1865年提出的一个热力学概念，用于描述热力学系统的无序或混乱程度。最先由Shannon引入信息论，用于表征信息源中信号的不确定性，称为信息熵（简称熵），现已在工程技术、社会经济等领域得到广泛应用[15—18]。熵值法是一种基于熵原理的客观评价方法，能够避免人为因素带来的偏差。熵值法评价中的评价指标的熵越小，表示该指标提供的信息量越大，在综合评价中所起的作用就越大，权重就越高。熵值法反映出在各种评价指标值确定的情况下，各指标在竞争意义上的相对激烈程度，它能将一些边界不清、不易定量的因素定量化，进而实现综合评价。

1）构建评价矩阵：

式中：rij为第j个指标第i个样本的数值（j=1,2,…,n；i=1,2,…,m）。

2）计算评价指标的熵。按式（2）—（4）计算第j个评价指标的熵：

式中：Hj为第j个指标的熵值；fij为第j个指标第i个样本所占的比重；k为熵值系数；

当fij=0时，fijlnfij= 0。若某一列的rij全部相等，那么fij=1/m。

3）计算评价指标的权重。按式（5）计算第j个评价指标的权重：

式中：βj为第j个评价指标的权重。

4）模糊综合评价。将各评价指标的权重值和指标数字等级代入式（6），计算得到涂层防护性能的综合评价值：

式中：F为综合评价值；Xj为第j个评价指标值；Wj为第j个评价指标的权重。

2 案例分析

2.1 数据采集

近年来，随着经济水平的提高，我国各项发展项目积极稳妥地进行，这对我国现代化建设具有重要意义。我国北方更新造林是现阶段发展建设中的一项重要内容。更新造林是改善我国生态环境基本状况的重要举措。我国北方林业发展较快，但近年来的主要问题是树木更新速度慢，这使得北方的森林面积逐渐减少。本研究将对当前我国北方退耕还林改革进行详细的分析和思考，并提出合理的改革措施，对今后我国林业的发展起到积极的作用。

以30CrMnSiNi2A为基材，选取TB06-9锌黄聚氨酯底漆+TS70-60聚氨酯面漆和TB06-9锌黄聚氨酯底漆+TS96-71氟聚氨酯面漆两种防护体系在海南万宁试验站开展自然环境试验，试样朝南并与水平成45°倾角，大气暴露试验方法参照GB/T 9276—1996《涂层自然气候暴露试验方法》执行。试验暴露时间为5年，取样周期为1，2，3，4，5年，每组平行试样为3个，采集的试样性能数据为外观评级和附着力，其中，外观评价执行标准为GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂层老化的评级方法》，附着力执行标准为GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》。针对防护涂层暴露试验，按检测周期分别对涂层的失光、变色、粉化、附着力、起泡、长霉、生锈、剥落、开裂等9项性能进行检测，两种防护涂层海洋大气环境下暴露5年的环境老化数据见表1。

表1 两种涂层暴露5年试验数据

2.2 确定涂层老化指标评价矩阵

根据上述分析得知，该次评价共选取失光、变色、粉化、附着力、起泡、长霉、生锈、剥落、开裂等9项评价指标，每个评价指标有5个样本（5年的试验数据），按式（1）建立两种涂层多指标评价矩阵如下：

2.3 计算评价指标的熵

按式（2）—（4）计算30CrMnSiNi2A+TB06-9+ TS70-60（A）防护涂层各老化指标的熵值：失光H1=0.9896；变色H2=0.9931；粉化H3=0.8163；附着力H4=0.8144。

由试验数据得知，起泡、长霉、生锈、剥落和开裂等5项性能试验5年的评级均为0级，均未发生变化，且被评价涂层的性能指标值完全相同，熵值达到最大，属于无用信息，可以从评价体系中直接去除。

30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）防护涂层各老化指标的熵值计算结果：失光H1=0.9896；变色H2=0.9824；粉化H3=0.8614；附着力H4=0.8488。

同理，30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）防护涂层的起泡、长霉、生锈、剥落和开裂等5项性能试验5年的评级均为0级，均未发生变化，且被评价涂层的性能指标值完全相同，熵值达到最大，属于无用信息，可以从评价体系中直接去除。

对每个评价指标都按式（5）计算权重，获取两种涂层9项老化指标之间的权重值。其中，30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS70-60（A）防护涂层各老化指标的权重为：失光权重β1=0.0028；变色权重β2=0.0019；粉化权重β3=0.0379；附着力权重β4=0.0512；起泡权重β5=0；长霉权重β6=0；生锈权重β7=0；剥落权重β8=0；开裂权重β9=0。

为了把不同的对象放在同一起跑线上比较，一般应进行归一化处理，即：

30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）防护涂层各老化指标的权重为：失光权重β1=0.0020；变色权重β2=0.0033；粉化权重β3=0.0261；附着力权重β4=0.0284；起泡权重β5=0；长霉权重β6=0；生锈权重β7=0；剥落权重β8=0；开裂权重β9=0。

为了把不同的对象放在公平起跑线上比较，一般应进行归一化处理，即：

通过以上计算得知，两种防护涂层9项老化指标的权重见表2。

表2 涂层体系老化指标权重值

2.5 涂层老化综合评价

由表2得知，在起泡、长霉、生锈、剥落和开裂性能未发生变化前，粉化和附着力在防护涂层老化评价中占非常重要比例。将各评价指标的权重值和指标数字等级代入式（6），计算得到两种防护涂层的综合评价值：FA=3.878，FB=3.883

采用熵值法求得的30CrMnSiNi2A+TB06-9+ TS70-60（A）和30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）两种防护涂层海洋大气户外暴露5年的老化综合评价值均为3.88级，约为4级，这表明两种防护涂层的环境抗老化性能基本一致。装备防护涂层进行抗老化优选时，由于两种防护涂层抗老化性能基本相当，因此，两种防护涂层均可以选择。

3 结语

文中介绍了一种基于熵值法的涂层老化指标权重确定的方法。这是一种客观的评价方法，克服了主观权重的随意性，评价结果客观合理。这种方法可对涂层多项老化指标进行权重评价，评价老化指标不仅仅局限于GB/T 1766中变色、粉化、开裂、起泡、长霉、生锈和剥落等7项指标，还可以拓展为失光、附着力、厚度等影响涂层老化失效的其它关键指标，从而弥补现有标准涂层老化评价的不足，从涂层外观、力学等多方面更为客观、科学、实用地综合评价涂层老化程度。

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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

罗来正（1983—），男，江西玉山人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为环境试验与环境适应性评价。