测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备及方法

本申请涉及pe老化动力学技术领域，特别涉及一种测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备及方法。

背景技术：

在聚乙烯(pe)的老化过程中，老化速率主要取决于光照、温度、氧气、湿度等条件。关于温度对pe老化的影响，通常用阿伦尼乌斯定律(arrheniuslaw)来描述。光照强度、湿度和氧气浓度对pe老化行为的影响，主要是基于史瓦西定律(schwarzschildlaw)展开研究的。

相关技术中，目前已有的关于pe老化动力学的研究中，所涉及的条件变量大多是某一单因素条件或某两个条件的组合，缺乏关于pe在温度、光照、湿度、氧气浓度等多因素耦合条件下的老化动力学模型，难以为pe在不同气候条件下的稳定性评价及寿命预测给出系统而全面的数据支撑。

另外，相关技术的关于pe多因素耦合老化动力学的研究及评价方法中，尚未给出同时包含有温度、光照、湿度、氧气浓度这四种影响因子的老化动力学模型，具体的评价周期也在数十天以上。

申请内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的第一目的在于提出一种测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备，该设备可以针对pe的多因素耦合老化动力学进行快速评测，有效提高测试效果，并且保证测试的准确度，提升测试体验。

本申请的第二个目的在于提出一种测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的方法。

为达到上述目的，本申请第一方面实施例提供一种测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备，包括：原位反应单元，将聚乙烯pe料制得的待测样品置于所述原位反应单元；温控单元和辐照单元，用于在每个pe测试阶段将所述待测样品的所处环境的实际温度、实际光照强度控制在对应范围内；氧浓度控制器和湿度控制器，用于在每个pe测试阶段将所述待测样品的所处环境的实际氧气浓度和实际湿度控制在对应范围内；吹扫单元，用于在所述温控单元、所述辐照单元、所述氧浓度控制器和湿度控制器的作用下，以预设流量对所述原位反应单元吹扫不同pe测试阶段不同温度、不同光照强度、不同氧气浓度和不同湿度的反应气；检测单元，用于检测不同条件因子下的pe老化速率测试结果，并在非线性拟合后，得到所述pe料的多因素耦合老化动力学参数，生成多因素耦合老化动力学模型，以计算不同老化条件下pe的相对老化速率。

根据本申请实施例的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备，可以实现对pe多因素耦合老化动力学的快速评测，其中，测试过程中能够同时加载、调控和耦合包括温度、光照强度、湿度、氧气浓度在内的多种条件因子，同时每组耦合条件下的测试时长不超过10小时，利用测试结果进行多因素耦合老化动力学方程的参数拟合时，拟合结果与测试结果的平均相对偏差不超过5％，有效提高测试效果，并且保证测试的准确度，提升测试体验。

另外，根据本申请上述实施例的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备还可以具有以下附加的技术特征：

可选地，在本申请的一个实施例中，所述多因素耦合老化动力学模型为：

其中，k为不同的温度、光照强度、湿度、氧气浓度下的老化速率，a为温度、光照、湿度、氧气的四项条件因子的集总比例常数，t为温度、i为光照强度、h为湿度、p为氧气浓度，α、β、γ分别为光照、湿度、氧气的三项条件因子的幂指数，ea为老化反应的表观活化能，r为通用气体常数。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述原位反应单元包括：放置所述待测样品的原位反应池；傅里叶变换红外光谱仪和加热器，用于发射红外光线和进行加热。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述氧浓度控制器包括：用于测试氧气流量的第一流量计；用于测试氮气流量的第二流量计；氧浓度计，用于检测所述原位反应单元内的实际氧气浓度，以进行相应调节。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述湿度控制器包括：洗气瓶；用于测试所述氧浓度控制器输出且经过所述洗气瓶后气体的湿度的第三流量计；用于测试所述氧浓度控制器输出的气体的湿度的第四流量计；湿度计，用于检测所述原位反应单元内的实际湿度，以进行相应调节。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述辐照单元可以为氙弧灯光源。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述吹扫单元可以为气体发生器。

为达到上述目的，本申请第二方面实施例提供一种测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的方法，其采用上述实施例所述的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备，其中，方法包括：将所述pe料制得的待测样品置于所述原位反应单元；以所述预设流量对所述原位反应单元吹扫不同pe测试阶段不同温度、不同光照强度、不同氧气浓度和不同湿度的反应气；检测不同条件因子下的pe老化速率测试结果，并在非线性拟合后，得到所述pe料的多因素耦合老化动力学参数，生成多因素耦合老化动力学模型，以计算不同老化条件下pe的相对老化速率。

根据本申请实施例的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的方法，可以实现对pe多因素耦合老化动力学的快速评测，其中，测试过程中能够同时加载、调控和耦合包括温度、光照强度、湿度、氧气浓度在内的多种条件因子，同时每组耦合条件下的测试时长不超过10小时，利用测试结果进行多因素耦合老化动力学方程的参数拟合时，拟合结果与测试结果的平均相对偏差不超过5％，有效提高测试效果，并且保证测试的准确度，提升测试体验。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请实施例提供的一种测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备的结构示意图；

图2为根据本申请一个实施例的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备的结构示意图；

图3为根据本申请一个实施例的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参照附图描述根据本申请实施例提出的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备及方法，首先将参照附图描述根据本申请实施例提出的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备。

具体而言，图1为根据本申请实施例提供的一种测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备的结构示意图。

如图1所示，该测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备10包括：原位反应单元100、温控单元200和辐照单元300、氧浓度控制400(如图2所示)、湿度控制器500(如图2所示)、吹扫单元600和检测单元700。

具体地，原位反应单元100，将聚乙烯pe料制得的待测样品20置于原位反应单元。

在实际执行的过程中，本申请实施例可以将pe粒料置于80℃的真空烘箱内干燥24h后，使用压膜机(如lp20-b，泰国labtech)将pe粒料在190℃下预热3min，热压3min，冷压2min，制得厚度为375μm的薄膜。将制备得到的薄膜裁剪成12mm×12mm规格的待测样品20，进而本申请实施例的利用多因素耦合老化评价系统进行测试。

可选地，在本申请的一个实施例中，原位反应单元100包括：原位反应池101、傅里叶变换红外光谱仪102和加热器103。

其中，原位反应池101放置待测样品20。

傅里叶变换红外光谱仪102和加热器103，用于发射红外光线和进行加热。

温控单元200和辐照单元300，用于在每个pe测试阶段将待测样品20的所处环境的实际温度、实际光照强度控制在对应范围内。

氧浓度控制器400和湿度控制器500，用于在每个pe测试阶段将待测样品20的所处环境的实际氧气浓度和实际湿度控制在对应范围内。

可选地，在本申请的一个实施例中，氧浓度控制器400包括：第一流量计401、第二流量计402和氧浓度计403。

其中，第一流量计401用于测试氧气流量。

第二流量计402用于测试氮气流量的。

氧浓度计403，用于检测原位反应单元内的实际氧气浓度，以进行相应调节。

可选地，在本申请的一个实施例中，湿度控制器500包括：洗气瓶501、第三流量计502、第四流量计503和湿度计504。

其中，第三流量计502用于测试氧浓度控制器400输出且经过洗气瓶501后气体的湿度的。

第四流量计503用于测试氧浓度控制器400输出的气体的湿度的。

湿度计504，用于检测原位反应单元100内的实际湿度，以进行相应调节。

作为一种可能实现的方式，如图2所示，本申请实施例的反应气的湿度和氧气浓度调节方法如下。在室温(25℃)下所能实现的相对湿度(relativehumidity，rh)调节范围为0～100％rh，对应的绝对湿度(absolutehumidity，ah)调节范围为0～23g/m3ah，所能实现的氧气浓度调节范围为0～100％。本申请实施例将高纯度的氧气和氮气先通入氧浓度控制器400后，再通入湿度控制器500，通过第一流量计401和第一流量计402调控氧气浓度，通过第三流量计502和第四流量计503，最终由氧浓度计403和湿度计504读出原位反应池101中反应气氛的湿度与氧气浓度大小。

可以理解的是，为了完成测试，本申请实施例可以通过温控单元200、辐照单元300、氧浓度控制器400和湿度控制器500对温度、光照强度、湿度、氧气浓度这四种条件因子进行调控和耦合，以测试出pe在不同耦合条件下的老化速率。相比较于相关技术，实现对pe多因素耦合老化动力学的快速评测。测试过程中能够同时加载、调控和耦合包括温度、光照强度、湿度、氧气浓度在内的多种条件因子，同时每组耦合条件下的测试时长不超过10小时。

吹扫单元600，用于在温控单元200、辐照单元300、氧浓度控制器400和湿度控制器500的作用下，以预设流量对原位反应单元吹扫不同pe测试阶段不同温度、不同光照强度、不同氧气浓度和不同湿度的反应气。

可选地，在本申请的一个实施例中，辐照单元300可以为氙弧灯光源，吹扫单元600可以为气体发生器。

检测单元700，用于检测不同条件因子下的pe老化速率测试结果，并在非线性拟合后，得到pe料的多因素耦合老化动力学参数，生成多因素耦合老化动力学模型，以计算不同老化条件下pe的相对老化速率。

举例而言，利用测试pe的老化速率时，将裁剪好的12mm×12mm规格的正方形薄膜样品，装入原位反应池101的样品盘，封闭反应池101后，安装好傅里叶变换红外光谱仪102(ftir)的样品舱盖。用5l/min流量的干燥空气(不含co2)吹扫20min后开始测试。吹扫开始后，打开气路电磁阀104和电磁阀105，将流量为1l/min、具有不同湿度和氧气浓度的反应气充入原位反应池101，对反应池内101原有气体进行置换，置换时间5min。测试开始后，每隔5min采集一次ftir信号以监测反应池中气氛的变化。整个pe测试阶段的前30min保持25℃左右的室温，不进行辐照和加热，以观察背景信号是否稳定。第25min时启动辐照单元300，并调整电源功率使辐照单元300输出的模拟太阳光强度达到测试所需的预设值。第30min时升温至预定的测试温度，同时打开辐照单元300进行预定强度的光照。第210min时关闭辐照单元300，停止光照，继续采集ftir信号到第240min时结束测试。

需要说明的是，上述的预设值由本领域技术人员根据实际情况进行设置，在此不作具体限制。

可选地，在本申请的一个实施例中，多因素耦合老化动力学模型为：

其中，k为不同的温度、光照强度、湿度、氧气浓度下的老化速率，a为温度、光照、湿度、氧气的四项条件因子的集总比例常数，t为温度、i为光照强度、h为湿度、p为氧气浓度，α、β、γ分别为光照、湿度、氧气的三项条件因子的幂指数，ea为老化反应的表观活化能，r为通用气体常数。

可以理解的是，为了量化pe在多因素耦合条件作用下的老化速率，需要建立起老化速率与多因素耦合条件之间的动力学模型。本申请实施例的多因素条件包含温度、光照、湿度、氧气，共四项。因此，老化速率k关于多因素耦合条件的老化动力学模型是基于材料对温度、光照、湿度和氧气的单因素老化动力学模型而融合建立的，如式(2.1)所示：

k＝f(t)·f(i)·f(h)·f(p)，(2.1)

其中，f(t)为温度对老化速率的影响因子，f(i)为光照强度对老化速率的影响因子，f(h)为湿度对老化速率的影响因子，f(p)为氧气浓度对老化速率的影响因子。以上四项影响因子分别由式(2.2)、式(2.3)、式(2.4)和式(2.5)给出：

f(i)＝a2i^α，(2.3)

f(h)＝a3h^β，(2.4)

f(p)＝a4p^γ，(2.5)

其中，a1、a2、a3、a4分别为温度、光照、湿度、氧气这四项条件因子的比例常数，ea为老化反应的表观活化能(j·mol^-1)，r为通用气体常数(8.314j·k^-1·mol^-1)，t为绝对温度(k)，i为光照强度(mw·cm^-2)，h为绝对湿度(g·m^-3)，p为氧气浓度(％)，α、β、γ分别为光照、湿度、氧气这三项条件因子的幂指数(无量纲，范围0～1)。

因此，式(2.1)中老化速率k关于温度t、光照强度i、绝对湿度h、氧气浓度p的显性函数关系可以表达为：

其中，a为温度、光照、湿度、氧气这四项条件因子的集总比例常数

也就是说，式(2.6)即为多因素耦合老化动力学模型。

本申请实施例基于式(2.6)所构建的模型，可以利用多因素耦合老化评价系统来测试pe在多因素耦合条件下的老化速率。在此，以pe在一定测试条件下的的co2生成速率来表示样品在不同的温度、光照强度、湿度、氧气浓度下的老化速率k。

例如，为了求解式(2.6)给出的多因素耦合老化动力学模型，按照表2.1所示，对温度t、光照强度i、湿度h、氧气浓度p这四项条件因子分别设置三个水平，以组成不同的耦合条件来模拟pe的老化环境。表2.1为用于模拟不同老化环境的4因素3水平条件设置方案的表格。

表2.1

以表2.1中的设置方案为基础，对温度、光照强度、湿度、氧气浓度这四种条件因子的不同水平进行组合，构建了24组多因素耦合条件，并利用多因素耦合老化评价系统，测试了pe在这24组多因素耦合条件下的co2生成速率k。利用24组实验数据，以式(2.6)为基本函数模型，进行非线性拟合，以求解参数a、ea、α、β、γ。

具体而言，利用不同条件下的pe老化速率测试结果，以式(2.6)为基本函数模型进行非线性拟合后，得到pe的多因素耦合老化动力学参数如下。其中，表2.2pe多因素耦合老化动力学模型参数初值设定初值及求解结果的表格。

表2.2

综上，可以计算不同老化条件下pe的相对老化速率，不但能够同时加载、调控和耦合温度、光照强度、湿度、氧气浓度这四种条件因子，从而测试出pe在不同耦合条件下的老化速率，而且可以通过拟合参数的方法得到pe的多因素耦合老化动力学方程，从而指导材料的设计、研发、使用，实现能同时加载、调控和耦合包括温度、光照强度、湿度、氧气浓度在内的这四种条件因子，并同时在不超过10小时的周期内实现对于聚乙烯材料老化速率的快速评价的目的。

根据本申请实施例提出的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备，可以实现对pe多因素耦合老化动力学的快速评测，其中，测试过程中能够同时加载、调控和耦合包括温度、光照强度、湿度、氧气浓度在内的多种条件因子，同时每组耦合条件下的测试时长不超过10小时，利用测试结果进行多因素耦合老化动力学方程的参数拟合时，拟合结果与测试结果的平均相对偏差不超过5％，有效提高测试效果，并且保证测试的准确度，提升测试体验。

其次参照附图描述根据本申请实施例提出的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的方法。

图3是本申请实施例的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的方法的示意图。

如图3所示，该测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的方法采用上述实施例的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备，其包括以下步骤：。

在步骤s301中，将pe料制得的待测样品置于原位反应单元。

在步骤s302中，以预设流量对原位反应单元吹扫不同pe测试阶段不同温度、不同光照强度、不同氧气浓度和不同湿度的反应气。

在步骤s303中，检测不同条件因子下的pe老化速率测试结果，并在非线性拟合后，得到pe料的多因素耦合老化动力学参数，生成多因素耦合老化动力学模型，以计算不同老化条件下pe的相对老化速率。

需要说明的是，前述对测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的设备实施例的解释说明也适用于该实施例的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的方法，此处不再赘述。

根据本申请实施例提出的测试聚乙烯多因素耦合老化动力学的方法，可以实现对pe多因素耦合老化动力学的快速评测，其中，测试过程中能够同时加载、调控和耦合包括温度、光照强度、湿度、氧气浓度在内的多种条件因子，同时每组耦合条件下的测试时长不超过10小时，利用测试结果进行多因素耦合老化动力学方程的参数拟合时，拟合结果与测试结果的平均相对偏差不超过5％，有效提高测试效果，并且保证测试的准确度，提升测试体验。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或n个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或n个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，n个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。