聚丙烯材料使用寿命预测方法

李莹

摘 要：本文研究了汽车用PP-GF30材料的热氧老化性能，研究不同温度对PP-GF30老化的影响，建立材料使用温度和寿命之间的阿伦尼乌斯方程模型，推算不同使用温度下PP-GF30的使用寿命。

关键词：聚丙烯;阿伦尼乌斯公式;使用寿命

聚丙烯大分子链上有大量的叔碳原子，当暴露在环境中，受到光、热的作用，容易被氧化，大分子链生断裂生成活泼的自由基，这些自由基进一步引起大分子断裂，使材料力学性能降低。本文通过分析一系列温度条件下材料力学性能随时间的变化规律，研究温度对PP-GF30的影响;以物理性能下降50%作为终点，利用阿伦尼乌斯公式对发动机舱内PP-GF30材料在使用温度下的寿命进行预估。

1 实验方法

1.1 实验材料

PP-GF30粒料（某供应商提供）

1.2 实验仪器

注塑机（MA1600/540G）

鼓风干燥箱（DHG-9245A）

电子万能试验机（Z010TE/10KN）

熔体流动速率仪（RL-Z1B1）

塑料摆锤冲击试验机（PIT501J）

1.3 测试方法

力学性能：拉伸强度按照GB/T 1040.1-2006 & GB/T 1040.2-2006，测试速度5mm/min;

弯曲强度按照GB/T 9341-2008，测试速度2mm/min。

熔体流动速率（MFR）：GB/T 3682-2000，负荷是2.16KG

样品编号：1#、2#、3#、4#、5#、6#，样品预处理条件如下：

考虑到PP-GF30用于汽车发动机，按表1规定的温度对样品进行预处理，根据具体的温度和老化时间每隔24或48H，取出一组测试样条，标准环境下放置16H后测试拉伸强度、断裂伸长率;弯曲强度;熔体流动速度。根据GB/T 7141-2002中对临界点的定义，选择物理性能下降到50%时终止试验。规定以物理性能下降最快的项目作为计算寿命的时间参数。

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能与弯曲强度损耗分析

PP-GF30的拉伸强度和弯曲强度的变化分为三个阶段：第一阶段强度迅速增大，第二阶段强度缓慢下降，第三阶段强度迅速下降。第一阶段由于PP没有完全结晶，在热空气老化下会慢慢结晶完全，结晶度的提高使材料的力学性能均有一定程度的增加，第二阶段进入热氧老化的引发阶段，材料内部出现微弱的降解，力学性能表现为缓慢的下降;后期随着材料中活泼的自由基浓度越来越高，材料降解速度加快，使分子链出现分解与断裂，力学性能开始迅速下降。

2.2 熔体流动速率分析

PP-GF30的MFR第一阶段缓慢增加，第二阶段加速增加，但测试终止时PP-GF30的熔体质量流动速率与常态相比没有太大变化。第一阶段处于降解引发阶段，材料的老化只发生在材料表面，PP-GF30的相对分子质量基本不发生变化或降低的极为缓慢;第二阶段大分子链内部不断发生断裂，试样的相对分子质量开始加速下降，熔体质量流动速率加速上升;由于试验终止时，PP-GF30还没有进入真正的降解阶段，所以相对分子质量没有很大的降低，终止时MFR和常态的MFR相比并没有太大差异。

2.3 根据阿伦尼乌斯公式推算PP-GF30使用寿命

利用阿伦尼乌斯公式推算材料使用寿命的方法已经非常成熟，在本次的老化实验中，断裂伸长率是最先下降到初始状态50%，因此以它作为推算车用PP-GF30的材料性能。

利用阿伦尼乌斯方程和化学反应关系经过数学变换并合并常数项可得：

式中，B-常数系数;Ti -不同处理温度的开尔文温度;ti -不同临界点的时间，i=1，2，3，4，5。

在规定的老化温度范圍内，活化能是常数，所以可以通过测试每个测试温度达到临界值时间的对数log t与相应的热力学温度的倒数1/T作图，将表3的数据带入公式（1）得到五个点，将五点拟合成直线方程，曲线如下图所示，其关系式为：

Int= 3.4516×103/T-1.7975（2）

利用上式可以计算产品在使用温度下的寿命

3 结论

针对PP-GF30的热老化数据，推算材料的使用温度和寿命的阿伦尼乌斯方程的可行性。利用热空气老化推算材料使用寿命的方法不仅适用于PP-GF30树脂，而且也适用于其他塑料、橡胶材料。