综合评价法在聚氨酯密封胶强度检验中的应用

马翊翔

(中车永济电机有限公司,山西 永济 044502)

密封胶是一种用于填充接缝空隙的膏状材料或高粘性流体物料[1],将聚氨酯材料用于密封胶的制备,研制出一种新型的高弹性密封剂,具有较强的防水、密封与粘接优势[2]。聚氨酯密封胶强度是作为聚氨酯密封胶主要性能参数之一,直接影响聚氨酯密封胶的使用性能[3]。聚氨酯密封胶强度性能受不同制备材料的影响,且不同材料对于聚氨酯密封胶强度的影响是同时存在且彼此关联的[4]。基于此,为综合考虑不同材料(影响因素)对于聚氨酯密封胶强度的共同作用,提出基于综合评价法的聚氨酯密封胶强度分析方法,定量分析影响聚氨酯密封胶强度性能影响因素的定性描述,通过全面分析各影响因素,获取更加可靠的聚氨酯密封胶强度分析结果。

1 聚氨酯密封胶制备

1.1 聚氨酯密封胶制备所用材料

主要材料:N220、330N聚醚多元醇(工业级),上海闵科新材料有限公司;DOP邻苯二甲酸二辛脂(工业级),安徽合肥安邦化工有限公司;MDI二苯甲烷二异氰酸酯(工业级),广州增茂化工科技有限公司;DBTDL二月桂酸二丁基锡(分析纯),深圳拓建生物科技有限公司;PZ005恶唑烷类潜固化剂,河北普智伟业防水材料有限公司;ALT102二亚胺类潜固化剂,江阴万千化学品有限公司;600目滑石粉,广州市恒晟材料有限公司;800目轻质碳酸钙,广州市恒晟材料有限公司;分散剂,青岛集思高分子材料有限公司;消泡剂,广东中联邦精细化工有限公司;甲苯(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;二正丁胺(分析纯),国药集团化学试剂有限公司。

1.2 聚氨酯密封胶制备所用仪器

主要仪器为:50-5000三口烧瓶,盐城协盈机械制造有限公司;蛇形-200mm冷凝管,成都典锐实验仪器有限公司;PTHW-2000ML恒温电热套,上海予华仪器设备有限公司;RSP280抽真空设备,豪可德真空科技(上海)有限公司;CSXJ行星搅拌混合器,驰勒(上海)机械科技有限公司;DC-01控温仪,上海方锐仪器有限公司;HWLY-2.2KW三轴研磨机,上海赫维机电设备有限公司;DWD-300M电子拉力数显机,济南中路昌试验机制造有限公司;NDJ-8S旋转黏度计,上海平轩科学仪器有限公司;TY9000红外光谱仪,青岛精诚仪器仪表有限公司。

1.3 聚氨酯密封胶制备过程

1.3.1密封胶预聚物制备

在三口烧瓶内依照固定比例分别添加聚醚多元醇N220、聚醚多元醇330N和邻苯二甲酸二辛脂,将抽真空设备温度设定为115 ℃[5],将装有混合试剂的三口烧瓶置入抽真空设备内进行真空脱水操作,时间设定为105 min。取出三口烧瓶在其温度降至60 ℃以下后,在其中添加计量的二苯甲烷二异氰酸酯,维持60 ℃不变,反应时间设定为30 min。30 min后将其加热到85 ℃,直到异氰酸酯的含量达到理论值[6],获取密封胶预聚物。利用红外光谱仪与甲苯-二正丁胺法检测密封胶预聚物内异氰酸酯基含量波动[7]。

1.3.2密封胶制备

按照一定的比例,将所制得的密封胶预聚体与滑石粉、轻质碳酸钙混合在一起,用行星式搅拌机进行搅拌。设定搅拌温度为60 ℃,搅拌至试剂完全融合[8]。将分散剂、消泡剂及各种种类的潜固化剂加入到反应液中,经搅拌器搅拌60 min后出料,由此获取聚氨酯密封胶样本。添加不同类型潜固化剂样本分别命名为样本A(添加2种固化剂)、样本B(添加恶唑烷类潜固化剂)和样本C(添加二亚胺类潜固化剂)。

2 基于综合评价法的强度分析方法设计

2.1 构建模糊因素集合

构建模糊数学综合评价因素集合,选取具有代表性的、影响聚氨酯密封胶强度的因素(即聚氨酯密封胶制备的主要材料与环境)作为评价因子[9]。利用P={p1,p2,…,pi}表示聚氨酯密封胶强度模糊综合评价因素集合,其中pi表示第i个聚氨酯密封胶强度评价因子。

2.2 确定评价标准

用B表示聚氨酯密封胶强度指标分级的集合,公式描述为B={b1,b2,…,bj},其中bj表示评价的第j级评价等级标准,依据聚氨酯密封胶强度标准分级[10],取j值为5。

2.3 构建评价矩阵

参考聚氨酯密封胶使用的强度划分规范,并且通过“三角模糊数”、“降半梯形模糊数”、“升半梯形模糊数”,构建聚氨酯密封胶指标因子的隶属度函数[11]。相关规范内,第4级强度标准值Zi4与第5级强度标准值Zi5为临界值。但该临界值在本质上为区分值,缺少第4级强度至与第5级强度间的过渡,导致隶属度函数具有“间断”或“重复”问题[12]。部分实际为第4级强度的聚氨酯密封胶强度评价结果为第5级强度,导致针对具有第5级强度标准的聚氨酯密封胶评价无法构建出第5级强度的隶属度函数(包含Zi5-Zi4=0),分析结果易出现偏差的问题。设置Zi3为第3级强度标准值,基于三角模糊数对第4级强度隶属度函数进行优化,设定约束条件:Zi5-Zi4=Zi4-Zi3,由此构建第4级强度与第5级强度聚氨酯密封胶的隶属度函数。

优化后的聚氨酯密封胶强度评价隶属度函数可保障聚氨酯密封胶强度评价过程中第1级强度至第5级强度指标隶属度关系存在连续性,更满足聚氨酯密封胶使用强度规范。

在pi隶属于第1级强度的条件下,隶属度函数公式描述如下:

(1)

式中:ri1表示第1级强度隶属度函数;xi表示所制备聚氨酯密封胶强度系数;Zi1表示第一级强度标准值;Zi2表示第2级强度标准值。

在pi隶属于第2级强度的条件下,隶属度函数公式描述如下:

(2)

式中:ri2表示第2级强度隶属度函数。

在pi隶属于第3级强度的条件下,隶属度函数公式描述如下:

(3)

式中:ri3表示第3级强度隶属度函数。

在pi隶属于第4级强度的条件下,隶属度函数公式描述如下:

(4)

式中:ri4表示第4级强度隶属度函数。

在pi隶属于第5级强度的条件下,隶属度函数公式描述如下:

(5)

式中:ri5表示第5级强度隶属度函数。

依照模糊数据确定聚氨酯密封胶强度评价因子Pi对B的隶属度,该隶属度可用Ri=表示,用R={Ri1,Ri2,…,Rij}表示由P至B的模糊关系,通过矩阵形式描述Ri,得到:

(6)

式中:rij表示第j级强度隶属度函数。

2.4 构建权重矩阵

由于在聚氨酯密封胶强度分析过程中,因子集P内不同评价因子pi的作用、贡献以及影响等重要性水平有所差异,因此有必要对参与评价指标因子实施赋权。本文采用客观赋权法中的强度贡献率法对聚氨酯密封胶强度影响的水平进赋权行[13],该赋权方法是一种动态/变权赋权法,不仅能够突出主要强度指标的影响,同时也兼顾单一强度指标对聚氨酯密封胶的整体影响,式(7)～式(9)为权重计算公式:

(7)

(8)

(9)

2.5 模糊数学综合评价

在确定P、B和R后,利用权重矩阵W构建运算规则,即可构建聚氨酯密封胶评价对象同各评价等级模糊综合关系的隶属度矩阵G:

G=WR|k|=(a1,a2,…,aj)

(10)

式中:k表示模糊运算参量;a表示聚氨酯密封胶强度影响因子隶属于不同评价等级的程度值。

3 应用与结果分析

3.1 构建模糊因素集合

选取聚醚多元醇N220比重、聚醚多元醇330N比重、邻苯二甲酸二辛脂比重、二苯甲烷二异氰酸酯比重、固化剂比重与温度等聚氨酯密封胶制备材料与环境作为影响聚氨酯密封胶强度的主要影响因素,构建模糊因素集合。

3.2 确定评价标准

将聚氨酯密封胶强度划分为5个等级,具体如表1所示。

表1 聚氨酯密封胶强度划分结果

3.3 计算权重

计算各聚氨酯密封胶强度影响因素的权重值,所得结果如表2所示。

表2 各样本内不同影响因素权重值计算结果

由表2可知,本文所制备的3个聚氨酯密封胶样本中,固化剂类型是影响聚氨酯密封胶强度的主要因素;二苯甲烷二异氰酸酯比重在各响应因素内所占权重最低。不同样本的聚醚多元醇N220比重和聚醚多元醇330N比重所占权重均为一致,剩余各影响因素的权重差异较为显著。

3.4 样本强度分析结果

不同样本强度性能分析结果如表3所示。

表3 不同样本强度性能分析结果

由表3可知,聚氨酯密封胶强度分析结果最高的为A样本,即添加两种不同固化剂所制备的样本,其强度综合指数与强度等级分别为72.26和第2等级。与分别添加一种固化剂的2个聚氨酯密封胶样本(B样本和C样本)相比,添加2种固化剂的聚氨酯密封胶样本强度更高。

3.5 强度分析结果对比

根据电子拉力数显机获取的聚氨酯密封胶强度结果计算各样本强度,对比本文方法所获得的聚氨酯密封胶强度分析结果与利用电子拉力数显机获取的聚氨酯密封胶强度结果,所得结果如图1所示。

图1 强度分析结果对比

由图1可知,本文方法对各聚氨酯密封胶强度的分析结果与电子拉力数显机获取的聚氨酯密封胶强度结果完全一致,说明本文方法具有可靠性。

4 结语

模糊数学综合评价法对解决目标分类、分类划分标准等模糊性概念的不确定问题具有较高的应用性。考虑聚氨酯密封胶强度受不同制备材料的共同影响,且不同材料对聚氨酯密封胶强度的影响是同时存在且彼此关联的。基于此本文研究模糊数学综合评价法在聚氨酯密封胶强度分析中的应用。制备三种不同聚氨酯密封胶样本,通过分析发现影响聚氨酯密封胶强度的主要因素为固化剂类型,且本文方法分析结果与采用电子拉力数显机获取的结果完全一致。根据分析结果有针对性地完善聚氨酯密封胶制备过程中不同材料的使用量与使用环境,从整体上提升聚氨酯密封胶的强度性能。