利用Matlab编程实现某扣件材料尼龙66寿命预测

陈星昊，李念林,2，李茜,2，杨万均,3

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039； 2.海南万宁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，万宁 571522；3.环境效应与防护国家重点实验室，重庆 400039）

引言

尼龙，作为现代工业出现的第一种合成纤维，其地位在高分子材料领域是举足轻重的。自尼龙被合成创造成功以来，其被广泛应用于服装、家装、国防工业、航空航天工业等众多领域[1]。尼龙6和尼龙66基本占据了国内尼龙产业的主要地位，并且中国已成为尼龙6和尼龙66的重要市场。

尼龙学名是聚酰胺，英文名称Polyamide。在20世纪30年代的杜邦公司，美国科学家卡罗瑟斯利用己二酸和己二胺合成了尼龙66。尼龙6则是在20世纪40年代的拜尔公司，德国科学家用己内酰胺合成，从那以后，尼龙产业如日中天，进入了大发展的时代。由于尼龙66应用广泛且对国防工业、航空航天工业等领域十分重要，必须使其在正常寿命周期内发挥效能，所以本文对某扣件材料尼龙66进行了平均贮存寿命预测。

1 国内外尼龙66发展状况

1.1 国外尼龙66发展状况

1939年前后，尼龙66产业就实现了工业化，其被广泛应用于化纤和工程塑料等领域。从2010年开始，世界尼龙消费量以年均7.5 %左右的速度递增，特别是在汽车行业应用最为广泛，由于其特种制品具有耐油、耐热、抗震、防噪音、自熄等特点，目前几乎汽车的所有部位都有尼龙66的身影。

2017年全球尼龙66聚合物的总产量约为320万吨，在尼龙66市场上，INVISTA、BASF等公司的产能稳居前5位，垄断了市场上80 %的份额[1]。而尼龙66的主要原料之一的己二腈的最先进的生产技术目前已被INVISTA、RHODIA等公司所控制，实现了很大程度上的垄断。

1.2 国内尼龙66发展状况

国内尼龙工业起步稍晚，当时在洋务运动的大背景下，晚清政府从民主德国和西德引进了生产尼龙66聚合纺丝设备，组建成了北京合成纤维试验厂和太原化纤厂。1988年，原国家纺织部组织引进了日本成套设备，解决了我国尼龙66长期依赖进口的问题，为尼龙66工业发展奠定了基础[1]。2002年，中石化与Royal DSM合作，推动了国内尼龙66产业的巨大发展[2,3]。现如今，中国已成为尼龙66产业最主要的市场之一，其早已渗透进人们生活及生产的方方面面。可见，预测其平均贮存寿命是十分迫切且重要的。

2 平均贮存寿命预测试验方法

本文中的试验主要针对某种产品的扣件的尼龙66材料开展相应的热老化加速试验[4]，通过加速试验后结果的数据处理，定量地评估此扣件材料的贮存寿命。

2.1 扣件材料贮存寿命表征参数确定

由于某种产品是用来贮存包装物品的，并且须保证其内的物品在贮存和运输过程中不会因为振动、跌落等意外情况出现损坏，即要求扣件材料（尼龙66）在贮存期内的冲击强度值大于失效临界值。综上所述，本文试验采用扣件材料的冲击强度保留率作为该材料的贮存寿命表征参数。

2.2 扣件材料贮存失效判据

因为扣件材料（尼龙66）按照GJB 150.4A-2009《军用装备实验室环境试验方法第4部分：低温试验》的程序I，进行了低温冲击强度测试，结果小于原始值的50 %，所以采用该材料冲击强度保留率的50 %作为失效判据，并且选取1.4倍安全系数，即选取失效临界值为0.7[5]。

3 扣件材料样品的制备

本文试验按照标准GB/T 1043-2008《塑料 简支梁冲击性能的测定》制备了扣件材料（尼龙66）的冲击试样，如图1所示，该样品按照产品工艺条件注塑成型。

经过检验，试验样品表面平整，无气泡、裂纹、分层、杂质以及加工损伤等缺陷，符合标准和试验要求[6]。

4 贮存寿命预估基本原理

由于尼龙66属于高分子材料，在热老化过程中，其性能保留率P与老化时间τ的关系可用经验公式（1）进行描述[7]：

式中：

P—老化时间为τ时的性能保留率；

τ—老化时间，d；

K—性能变化的速率常数，d-1；

A—常数；

α—修正系数，常数。

如果试验数据计算结果显示lnP与τα线性相关关系显著，即相关系数大于查表值时，式（1）中则α取1；如果线性关系不显著，参数α采用逐次逼近法计算获得。逼近准则是α精确到小数点后两位时，使式（2）中 I最小[7]：

式中：

图1 冲击试样示意图

老化特性指标变化的速率常数K与温度T的关系服从Arrhenius方程[7]见式（3）：

式中：

T—绝对温度，K；

E—表观活化能，J·mol-1；

Z—频率因子，d-1；

R—气体常数，J·K-1·mol-1。

通过热老化试验数据可计算得出不同温度条件下的老化速率常数，进而可外推预测贮存温度（通常为25 ℃）条件下的老化速率常数。根据确定的失效临界值，可以在置信度为95 %和贮存温度为25 ℃条件下，计算出相应产品的贮存寿命。

5 平均贮存寿命计算过程

5.1 热老化试验

参照GB/T 7141-2008《塑料热老化试验方法》、GJB 92.1-1986《热空气老化法测定硫化橡胶贮存性能导则 第一部分 试验规程》 并且选定50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃和90 ℃5个温度条件开展热老化试验，具体试验步骤如下：按确定的5个温度条件，将热老化试验箱设置到所需要的温度，待稳定2 h后，将试样一起均匀放置于试验箱中，并记录试验时间；试验时间达到预定的取样检测周期，即从热老化试验箱中取出一组试样并且按要求进行测试；当试验时间到达最后一个取样周期（96天），或已经明显失效，则停止试验，取出试样，按要求进行测试[8]。本文试验在热老化试验箱中开展，试验情况如图2所示。

5.2 扣件材料（尼龙66）冲击强度测试

每到一个取样周期，便从热老化试验箱中取出试样，在标准实验室环境（23 ℃±2 ℃）下放置24 h后，使用WPM冲击试验机进行冲击强度测试，并且记录下该冲击强度值。

5.3 扣件材料冲击强度保留率计算

冲击强度保留率按式（4）计算获得：

式中：

PS—该扣件材料第i次取样样品冲击强度保留率，%；

Ii—该扣件材料第i次取样样品冲击强度值，kJ/m2；

I0—该扣件材料冲击强度值原始值，kJ/m2。

5.4 利用Matlab编程实现扣件材料冲击强度数据处理

式（1）中α称为修正系数，当lnP与时间τ线性关系不显著时，需要α取某定值来增强lnP与时间τ的线性关系[6]。修正系数α取值的准则为：采用逐次逼近法，当α取值在0到1变化时，使式（2）的值最小。由于式（2）涉及多次累加的计算，需要利用Matlab编程加以实现。利用Matlab编程实现数据处理的具体步骤如下：

5.4.1 读取原始数据

图2 热老化试验情况

表1 扣件材料（尼龙66）冲击强度试验数据

如表1所示是冲击强度试验数据，表格坐标（1，1）是扣件材料（尼龙66）冲击强度原始值87.58 kJ/m2，不包括原始数据在内的第一列数据是试验的老化时间，单位是天，而第一行是老化试验温度，单位是摄氏度。其余的数据是各个温度下各个老化时间下的试验数据，其中数据为0表示试验数据缺失。将表1数据读入程序待后续处理，Matlab主要程序代码如下：

yssj = xlsread(＇ C:UsersAdministratorDesktop冲 击强度原始数据-7-20.xlsx＇)；%读取试验数据

ysxn = yssj(1,1)；%读取原始性能数据

chicun = size(yssj)；%读取试验数据表格大小

5.4.2 计算修正系数α

修正系数α从0.01开始，每次增加0.01直到修正系数α等于1为止，即修正系数α需要取100个值使得式（2）的值最小。Matlab主要程序代码如下：

arf = 0.01; %给α赋初值为0.01

b_lnKsum = 0;

tem_rldsum = 0;

a_Acnt = 0;

LXX = 0;

LYY = 0;

LXY = 0;

cnt1 = 0;

lnPsum = 0;

lhtimesum = 0;

I = zeros(1,100); %给I赋初值为0

I(1,g)=I(1,g)+power((XN_ys(p,t)-a_Apj*exp(-exp(a_xn+b_xn*

tem_rlds(t))*power(yssj(p,1),arf))),2); %计算I的值

for x = 1:100 %寻找当I最小时的α值

if I(1,x)

ansarf = x/100;

temp = I(1,x);

end

end

5.4.3 计算常温下的贮存寿命

当找到是式（2）最小值的α值后，就可以计算出常温下的贮存寿命，Matlab主要程序代码如下：

for l = 2:chicun(1,2)

LXX_xn1 = power((tem_rlds(l)-xnpj_x1),2)+LXX_xn1;

LYY_xn1 = power((b_lnK1(l)-xnpj_y1),2)+LYY_xn1;

LXY_xn1 = (tem_rlds(l)-xnpj_x1)*(b_lnK1(l)-xnpj_y1)+LXY_xn1;

end

b_xnz = LXY_xn1/LXX_xn1;

a_xnz = xnpj_y1-b_xnz*xnpj_x1;

r_xnz = LXY_xn1/sqrt(LXX_xn1*LYY_xn1);

Ks_pj = exp(a_xnz+b_xnz*(1/(25+273)));

sm_pj =exp(1/ansarf*(log(log(a_Apj1/0.7))-log(Ks_pj)));

tn_pj = sm_pj/365;

S = sqrt((1-power(r_xnz,2))*LYY_xn1/(chicun(1,2)-3));

S_y = S*sqrt(1+1/(chicun(1,2)-1)+power(1/(25+273)-xnpj_x1,2)/LXX_xn1);

t = 2.353;

Ks_sx = exp(a_xnz+t*S_y+b_xnz*(1/(25+273)));

sm_sx =exp(1/ansarf*(log(log(a_Apj1/0.7))-log(Ks_sx)));

tn_sx = sm_sx/365.

6 试验结果与分析

利用Matlab编程计算结果可得到5个老化温度下的拟合方程，见表2。

从表2中可以看出，5个温度下的lnP与τα线性相关系数都大于查表值，说明两者的线性关系显著。

根据Matlab程序计算结果，可得到贮存温度（25 ℃）下的各参数值，如表3所示。

表2 扣件材料（尼龙66）冲击强度保留率与时间拟合方程

表3 25 ℃下扣件材料冲击强度保留率变化参数计算结果

将式（1）作一定的等式变换，可得贮存温度下（25 ℃）的寿命计算公式为：

式中：

P0—贮存寿命的性能指标临界值，取0.7。

将上述数据代入式（5）中可得，τ=18.71a。

7 结论

通过加速老化试验方法，并结合使用与贮存的条件，研究了贮存时间对某扣件材料尼龙66冲击强度保留率的影响，基于高分子材料性能指标变化与老化时间关系式以及Arrhenius模型，并加以利用Matlab编程计算，得到了某扣件材料尼龙66在贮存温度下的寿命为18.71a。该实验结果可作为评估尼龙66扣件制品贮存寿命的参考依据。