橡胶寿命预测研究方法

摘　要：本文简要介绍了橡胶老化的原因，详细介绍了橡胶寿命预测的方法，并对于橡胶寿命预测方法进行了讨论，并介绍了现行国标GB/T20028-2005对橡胶寿命预测的规定和指导性意见，最后对于橡胶寿命预测的发展方向进行了展望。

关键词：橡胶老化；寿命预测

　　橡胶原产于橡胶树，古时候人们就从橡胶树上取得胶乳，制成各种简易的生活用具，如盛水器等；随着科学技术的发展，出现了合成橡胶，于是橡胶就分成两类，产于橡胶树的叫天然胶，工业合成的叫合成胶，而合成胶由于合成原料的不同，又分为氯丁橡胶、硅橡胶等许多种。由于橡胶制品弹性好，强度高，易加工等特点，橡胶制品已广泛应用于各个领域，比如民用、工业、工程、军工等。应用在这些领域中的橡胶制品起着密封、减震等重要作用，我国早在上世纪九十年代就开始对橡胶密封制品生产企业进行生产许可证制度，严格要求企业持续、稳定生产质量合格产品，以保证人们生命、财产的安全。然而，作为一种高分子材料，橡胶制品特别易老化，而且老化后的橡胶将极大的损失其作为优点的弹性、强度等性能。因此了解橡胶的老化机理，确定橡胶制品的大概使用年限和储存时间，对于保障人们生命、财产安全有着重要的意义。
　　1、橡胶老化的原因：第一、橡胶老化的内因：橡胶材料本身结构上的弱点，如化学组成（高分子链的组成元素）、分子链结构（分子链的长度、构象及有机基团在链上的分布）、物理结构（结晶性、玻璃化温度及卷曲程度）；加工后橡胶中产生的新弱点（高分子链断裂及氧化等）；添加剂如抗氧剂、增塑剂、交联剂及有机溶剂等对材料的影响。第二、橡胶老化的外因：气候环境（氧气和臭氧的作用，气温和相对湿度的影响）和成型加工条件（模压、挤出等）[1]。
      科学家通过对橡胶自然老化的研究发现，氧气的作用是橡胶老化的主要因素[2]。但是橡胶自然老化的周期过长，即使有研究结果，对橡胶制品的实际使用也没有意义，因此，通过加速老化的方法对橡胶老化性能进行研究[3-6]，为橡胶的寿命预测提供了理论基础和理论数据。
      2、橡胶寿命预测方法
      2.1　时间—温度叠加的寿命预测模型[1]
　　时间—温度叠加的寿命预测模型的原理是时温等效原理，即高聚物的同一力学松弛现象可以在较高的温度、较短的时间（或较高的作用频率）观察到，也可以在较低的温度下、较长时间内观察到。因此，升高温度与延长观察时间对分子运动是等效的，对高聚物的粘弹行为也是等效的。由此理论最终得到的数学计算公式如下：
　　                        

         式中　—— 平移因子
　　　Ea ——Arrhenius 活化能;
　      R  ——气体常数;
　      Tr ——参考温度;
　      T ——试验温度
       通过这个公式，我们可以设计两个以上的温度点的实验，就可以计算出平移因子，从而计算任意温度下橡胶的使用寿命。
      2.2扩散限制氧化模型[1]
      扩散限制氧化模型是通过试验确定橡胶中氧气的浓度与橡胶模量的关系,再通过测定橡胶中氧气的浓度预测橡胶的寿命。这种方法的数学模型比较复杂，需要通过复杂的公式推导及有限元分析，同时需要有超敏感的测试设备。因此，在日常的检验中，操作性比较差。
      2.3 线性关系法[7]
　　Dakin认为电器绝缘有机材料的寿命和温度之间是线性关系， 符合下面的公式：
　　                      
      式中:t—时间
　　T—温度
　　B=U/R
　　U—活化能
　　R—常数
通过这个公式我们可以先确定一个性能值，然后通过实验来确定达到这一性能值时的温度、时间，然后用物理化学的方法测出活化能。
      2.4 动力学曲线直线化法[4,8-9]
　　动力学曲线直线化法是将动力学公式通过坐标变化，将曲线化成直线的方法。因此动力学公式的选择至关重要，目前被公认为比较准确的数学公式[10]如下：
                         

      式中：B，α—与温度无关的常数
       K—速率常数
       t—时间
       2.5 变量折合法[11-12]
      变量折合法是一种数学作图法，通过任意两个时间点、温度点的数据，可以计算出公式2中的b值，然后再将通过公式将高温的数据转化成常温的数据，从而得出寿命时间。前苏联以将此方法标准化作为检验橡胶寿命和性能变化的方法。
     2.6 数学模型法
　　数学模型法就是利用不同的理论建立不同的数学模型，然后用实验数据来计算寿命的方法，目前大多数的数学模型法还不成熟，没有应用于实际工作中。近年来，由于计算机的迅猛发展，基于BP人工神经网络橡胶老化预报、寿命预测的技术逐渐兴起[13]。
     3 对于寿命预测方法的讨论
     目前，每种寿命预测方法都有其局限性，实验容易操作的方法，准确度差些，准确度好的实验又难操作，因此在实际的科研工作中，选择合适的方法是很重要的。现在的寿命预测方法，有两个比较重要的理想性假设，一是，橡胶制品发生的老化主要以热氧老化为主，其它的因素忽略不计，二是，橡胶制品所处的环境是理想的，温度、湿度等外界因素是恒定的。所以，现在的寿命预测方法大多数是针对橡胶制品的储存寿命预测，而不是使用寿命的预测。不同的橡胶制品的使用环境不同，如果对使用寿命进行预测，就必须进行使用环境的模拟实验，这无疑是一个浩大的工程。因此，目前为止，国内还没见到橡胶制品相关的使用环境模拟的数据报道。
      国标《GB/T20028-2005硫化橡胶或热塑性橡胶 应用阿累尼鸟斯图推算寿命和最高使用温度》，给出了在进行寿命预测工作时的指导，标准中明确规定了临界值应选择原始值的50%，这与许多科研工作中选择临界值为原始值的25%是不同的。因为橡胶寿命预测在实际工作中影响因素过多，所以该国标没有过多的对实验过程进行规定，只是一个指导性的标准，因为它的理论基础仍然是阿累尼乌斯方程，所以它也是一个理想化的标准，如果用来计算使用寿命，必须考虑到使用的橡胶制品使用的环境，对结果加以修正。
      4 橡胶寿命预测的发展方向
     对于橡胶寿命预测，发展的方向将会以使用寿命为主，了解橡胶的实际的使用寿命，可以最大限度的发挥橡胶制品的作用，起到节能环保的作用，同时也能在橡胶制品完全丧失功能前停止使用，防患于未然，保障人们生命财产的安全。计算机行业的软、硬件的高速发展，给橡胶寿命预测提供了很好的模拟平台，如果开发出合适的软件，就可以模拟加速老化的过程、模拟实际使用环境等现实中需要耗费大量的人力、物力、财力才能达到的环境，这样极大的节约了科研成本，也提高了结果的准确性。
参考文献：

[1]胡文军等  橡胶的热氧加速老化试验及 寿命预测方法    橡胶工业 2004年第51卷.
方庆红等  基于BP人工神经网络的橡胶老化预报模型 合成材料老化与应用  2003 02.