一种高温硫化橡胶的寿命评估方法与流程

1.本发明属于分析检测技术领域，特别涉及一种高温硫化橡胶的寿命评估方法。


背景技术：

2.高温硫化橡胶是以高摩尔质量的线性聚二甲基(或甲基乙烯基、甲基苯基乙烯基、甲基三氟丙基等)硅氧烷为基础聚合物，混入补强填料和硫化剂(有机硅氧化物)等，在加热、加压的下硫化成弹性体，具有优异的耐热性，一般的高温化硅橡胶可以在200℃下长期使用，在120℃时，高温硫化橡胶的耐热寿命为10-20年，150℃时，其寿命为5-10年，200℃时，其寿命为2-5年，300℃时，高温硫化橡胶也可以连续使用100-300h，同时也具备良好的耐寒性，与此同时，在合成橡胶中，高温硫化橡胶是压缩永久变形性最好的一类橡胶，并且在很宽的温度范围内都保持良好的永久压缩变形性。因此可知，常规的用高温老化的试验方法去评估高温硫化橡胶的寿命存在一定的不足，在室外使用的高温硫化橡胶产品，以绝缘子伞裙为例，造成其失效的主要原因是高温产生的热效应以及太阳中紫外部分产生的光效应，由于高温硫化橡胶的耐热性较强，其热效应已不能成为其评估寿命的关键因子，因此光效应成为影响伞裙失效的关键因素，结合其性能特点，对其寿命及其剩余进行评估。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高温硫化橡胶的寿命评估方法。
4.本发明的目的通过下述方案实现：
5.一种高温硫化橡胶的寿命评估方法，包括以下步骤：
6.选取待测高温硫化橡胶产品上裁取哑铃型形状试样；
7.对哑铃型形状的样品施加紫外老化试验；
8.紫外老化试验中每间隔固定时间取出待试样进行拉伸强度进行测试；
9.橡胶寿命的评估：
10.根据紫外老化前后的抗拉强度计算出其变化率ζ，则其在i时间段的，变化率为：
[0011][0012]
其中，d0为初始抗拉强度值，di为第i时间段的抗拉强度值；
[0013]
则第i时间段的性能参数指标为：
[0014]
pi＝(1-ζi)
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]
其中，若性能参数pi≤50％，则判定试验样品失效；
[0016]
与此同时，性能参数指标与老化时间ti可以用阿伦尼乌斯方程表示，如下：
[0017][0018]
式中，a为试验常数，k为性能变化速度常数/d-1
。
[0019]
对其进行线性化处理，令x＝ti，y＝lnpi，a＝lna，b＝-k，则式(3)变为
[0020]
y＝a+bx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021]
根据式(3)和式(4)，计算出k值和a值，然后根据pi计算ti，即为剩余寿命。
[0022]
优选的，所述待测样品为高温硫化橡胶产品绝缘子新品、四级修产品或五级修产品。
[0023]
优选的，所述紫外老化试验按照iso 4892-3plastic-methods of exposure to laboratory light source-part 3:fluorescent uv lamps进行。
[0024]
优选的，所述拉伸强度进行测试参考gb/t 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》进行；更优选的，拉伸速度为500mm/min
±
50mm/min。
[0025]
优选的，所述间隔的固定时间为120～168h(7天)。
[0026]
本法发明还提供了加速因子的计算方法，具体为：
[0027]
令在正常应力水平s0下可靠度为r的可靠寿命为t
r0
(即由使用方提出寿命的指标)，在紫外老化的加速应力水平s1下，由上述方法计算的可靠度为r的可靠寿命为t
r1
(即剩余寿命ti)，则其加速因子为：
[0028][0029]
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
[0030]
本发明针对高温硫化橡胶用常规高温试验进行寿命评估不足问题，通过太阳中紫外部分产生的光效应来激发高温硫化橡胶的失效，从而评估其寿命。并提供了一种紫外老化加速因子的计算方法，为产品的研发和测试节约了时间。
附图说明
[0031]
图1为拉伸强度随紫外加速老化时间的变化趋势图。
[0032]
图2为5000h多应力综合老化试验拉伸强度变化趋势图。
[0033]
图3为新品伞裙ln p与t的线性拟合。
[0034]
图4为四级修伞裙ln p与t的线性拟合。
[0035]
图5为五级修伞裙ln p与t的线性拟合。
[0036]
图6新品伞裙ln p与t的线性拟合。
[0037]
图7五级修伞裙ln p与t的线性拟合。
具体实施方式
[0038]
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0039]
实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。实施例中所用高温硫化橡胶复合绝缘子为crh3c型动车组用。
[0040]
实施例1
[0041]
选取高温硫化橡胶产品绝缘子新品、四级修产品、五级修产品各一个，从其伞裙上裁取哑铃型形状试样各80个，分16组，每组5个；
[0042]
2、对哑铃型形状的样品，按照iso 4892-3plastic-methods of exposure to laboratory light source-part 3:fluorescent uv lamps施加紫外老化试验，试验条件见表1。
[0043]
表1
[0044][0045]
3、试验中每168h(7天)取出一组试样进行拉伸强度和拉断伸长率进行测试，测试中，参考gb/t 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》，拉伸速度为500mm/min
±
50mm/min，每组测试值取平均值。测试数据见表2所示，变化趋势见图1所示。
[0046]
可以看到(1)每种状态样品的拉伸强度呈下降趋势；(2)新品的拉伸强度第一次检查时较四级修和五级修有明显降低，从第二次开始，三种不同状态的样品下降幅度较为接近，后期四级修和五级修的拉伸强度有明显的浮动上升趋势，这种现象与相同状态下四级修硬度下降相对应，说明在紫外老化过程中紫外光和温度作用会使材料表面先硬化后软化最后硬化，机械性能也是先降低后升高，最终降至失效，数据变化过程与材料老化过程一致。
[0047]
4、根据gb/t 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》，在5000h多应力综合老化试验中，对新品和五级修绝缘子伞裙分别进行了拉伸强度测试，其拉伸强度测试结果见表3，趋势变化图见图2。
[0048]
从图中可以看到(1)每种状态样品的拉伸强度整体都呈下降趋势；(2)新品的拉伸强度基本上是单调下降趋势，但五级修前期下降而后出现拉伸强度逐渐增大的趋势，2448h后，其变化趋势与新品一致；这个主要是因为五级修实际已使用过一段时间，内部交联氧化已经开始，不同个体之间存在差异性，其整体趋势仍然是不断降低。由此表明，本法所提供的评估方法适合高温硫化橡胶的寿命评估。
[0049]
表2紫外加速老化拉伸强度测试结果(mpa)
[0050]
试验周期0h168h336h504h672h840h1008h1176h新品6.76.165.935.885.825.776.045.63四级修5.215.185.024.864.814.744.74.56五级修4.594.564.384.384.534.424.13.9试验周期1344h1512h1680h1848h2016h2184h2352h2520h新品5.75.65.354.985.155.145.095.14四级修4.64.64.74.654.474.454.74.85五级修4.064.13.914.014.093.874.184.34
[0051]
表3应力综合老化试验拉伸强度测试值(mpa)
[0052]
试验周期/h01082884686488281008新品6.676.546.316.176.235.835.83五级修4.594.143.954.063.973.934.16试验周期/h1188136815481728190820882268新品5.725.425.365.35.375.185.31五级修4.144.44.244.544.034.064.06试验周期/h2448262828082988316833483528
新品5.24.754.425.194.644.455.17五级修4.23.873.334.233.93.924.19
[0053]
5、计算紫外老化加速因子at
[0054]
(1)令在正常应力水平s0下可靠度为r的可靠寿命为t
r0
，在紫外老化的加速应力水平s1下，可靠度为r的可靠寿命为t
r1
，则其加速因子为：
[0055][0056]
(2)根据紫外老化前后的抗拉强度计算出其变化率ζ，则其在i时间段的，变化率为：
[0057][0058]
其中，d0为初始抗拉强度值，di为第i时间段的抗拉强度值；
[0059]
则第i时间段的性能参数指标为：
[0060]
pi＝(1-ζi)
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0061]
其中，若性能参数p＝50％，则判定试验样品失效。
[0062]
与此同时，性能参数指标与老化时间ti的可以用阿伦尼乌斯方程表示，如下：
[0063][0064]
式中，a为试验常数，k为性能变化速度常数/d-1
。
[0065]
对其进行线性化处理，令x＝ti，y＝lnpi，a＝lna，b＝-k，则式(4)变为：
[0066]
v＝a+bx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0067]
根据式(2)和式(3)，将表2的数据调整为性能指标数值，见表4所示。
[0068]
表4拉伸强度性能指标(％)
[0069]
时间/h016833650467284010081176新品10091.9488.5187.7686.8786.1290.1584.03四级修10099.4296.3593.2892.3290.9890.2187.52五级修10099.3595.4295.4298.6996.3089.3284.97时间/h13441512168018482016218423522520新品85.0783.5879.8574.3376.8776.7275.9776.72四级修88.2988.2990.2189.2585.8085.4190.2193.09五级修88.4589.3285.1987.3689.1184.3191.0794.55
[0070]
根据式(4)和式(5)，计算出b值和a值，见表5所示。
[0071]
表5性能参数k值和a值
[0072]
样品状态新品四级修五级修k0.00010.000040.00005a-0.0569-0.0398-0.0278
[0073]
由公式(2)和(3)可计算出在紫外加速老化下新品拉伸强度退化到四级修和五级修的性能参数分别为p
四级修
＝77.76％，p
五级修
＝68.51％，对其取对数，带入y＝-0.0001x-0.0569，得到新品退变到四级修和五级修时，需要的时间为1946h和3213h，假设四级修伞裙
使用时间为3年(26280h)，五级修伞裙使用时间为6年(52560h)，则新品退变到四级修和五级修的加速因子为：
[0074][0075]
由于新品退变到四级修和五级修的加速倍数略有差异性，新品退变到四级修和五级修的加速因子处于增大状态，即高温硫化橡胶在紫外老化的作用下呈加速退化状态，这与绝缘子碰到的外界应力环境有关，为提高准确性，对加速因子进行修正，则
[0076]
at＝(at
五级修
+at
四级修
)/2＝(13.5+16.36)/2＝14.93
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0077]
与此同时，性能参数p＝50％，则判定试验样品失效，带入y＝-0.0001x-0.0569得到，试验中新品从使用到失效的时间为6362.47h，则新品的寿命为(14.93
×
6362.47)/(24
×
365)年＝10.84年，则可知四级修的剩余寿命为10.84-3＝7.84年，五级修的剩余寿命为10.84-6＝4.84年。
[0078]
根据式(2)和式(3)，将表3的应力综合老化试验拉伸强度测试值调整为性能指标数值，见表6所示。
[0079]
表6新品、五级修的拉伸强度性能指标p(％)
[0080]
时间/h10828846864882810081188136815481728新品98.0594.6092.5093.4087.4187.4185.7681.2680.3679.46五级修90.2086.0688.4586.4985.6290.6390.2095.8692.3798.91时间/h1908208822682448262828082988316833483528新品80.5177.6679.6177.9671.2166.2777.8169.5766.7277.51五级修87.8088.4588.4591.5084.3172.5592.1684.9785.4091.29
[0081]
按照阿伦尼乌斯模型，计算多应力综合老化下新品、五级修的性能变化速率常数k。令x＝t，y＝lnp，a＝lna，b＝-k。则p＝ae-kt
可以用y＝a+bx表示。利用最小二乘法求得系数a、b，计算结果见表7。
[0082]
表7新品、五级修性能参数k与a的值
[0083]
样品状态新品五级修k0.00010.00001a＝ln a-0.0404-0.1025
[0084]
拟合曲线见图6和图7。
[0085]
根据式(2)和式(3)可计算在应力综合老化试验下新品拉伸强度退变到五级修的性能参数为68.82％；对其取对数代入y＝-0.0001x-0.0404中，得到新品退变到五级修需要的时间是3333h；
[0086]
假设五级修绝缘子实际运行时间为6年(52560h)
[0087]
新品退变到五级修的加速因子：a
s2～s0
＝t
r,0
/t
r,2
＝52560/3333＝15.77。
[0088]
已知新品在紫外老化应力退变过程的加速因子为14.93，等效里程为0.1363万公里/h(五级修480万公里，时间52560h，加速倍数14.93，折算公式为480*14.93/52560＝
0.1363)；在多应力综合环境下加速因子为15.77，等效里程为0.1440万里程/h(五级修480万公里，时间52560h，加速倍数14.93，折算公式为480*15.77/52560＝0.144)。由于多应力综合环境考虑了更多的应力因素，更周全，故绝缘子老化越快，加速倍数越高，但是试验时间长，试验成本高，不利于快速评价绝缘子的寿命。与此同时，紫外老化的加速倍数与多应力综合环境的加速倍数接近，试验简单，成本低，因此紫外老化在不影响精度的情况下，更适合快速评估绝缘子的寿命。
[0089]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。