吴德权等：三元乙丙橡胶老化与气候关联性及老化程度全国分布预测 ·1439· 高分子材料的气候老化是服役环境中光、热、湿 1 试验方法与研究方法 气、雨水、风沙、污染物等多种气候因子共同作用的复 杂过程四.我国幅员辽阔，气候多样，材料在各地的失 1.1EPDM老化试验与典型地区气候环境 效行为具有地域差异.如一些高分子材料在我国高纬 EPDM老化数据及典型站点气象数据由国家材料 度地区能够服役数十年，而在赤道附近，高温和强紫外 环境腐蚀平台提供.EPDM老化暴晒试验按照GB/T 线的作用导致高分子材料寿命减短.随着我国工程建 3511一2001在我国11个大气试验站进行.11个站点 设尤其是跨区域的大型工程的发展，材料的研发、设 (如图1所示)分布范围广泛，涵盖了我国五大气候 计、选用、防护等环节需要统筹考虑环境的多样性，以 区，基本反映了我国不同地域气候环境.试样暴晒时 及材料跨区域的适用性.因此，研究高分子材料在我 间为2007一2010年，老化周期为0、1.5、3、6、9、10.5、 国的老化程度分布，对于我国工程建设以及高分子材 12、18、24、30和36月共11个周期.老化数据如图2 料评价体系的建立，具有重要参考意义 所示 目前针对高分子材料的环境老化行为预测，国内 外开展了很多研究，但主要集中在通过加速试验预测 材料寿命，或者从老化机制角度探究材料老化动力学 过程等方面网.例如：Sameshima等国研究了EPDM橡 胶室内热老化相对于日本东京的自然老化加速倍率约 ●敦煌 北京 为l7,通过设计热老化预测橡胶户外失效；Gillen 青品° 等-可研究了乙丙橡胶在不同温度下的老化性能之间 的关联，通过高温老化试验预测橡胶在常温环境中的 拉萨 江津 武汉 寿命；：Lⅱ等圆研究聚丙烯在拉萨等六个地区的老化规 律，建立老化速率与辐照强度、温度和氧分压之间的指 数关系关联式.这些方法可用于预测特定设计环境中 琼海 的老化行为或寿命，但对于较广范围分布预测则不具 备普适性.高分子材料在全国的老化程度分布预测， 图1大气老化试验站点位置图 关键在于建立材料失效与气候环境之间的关联模型， Fig.1 Locations of outdoor weathering stations 而该方面关联模型的构建方法鲜有报道 同高分子材料相比，金属材料环境腐蚀失效研究 各站点2007一2010年的气象数据年平均值如表1 较早，已积累较广泛的原始数据，建立了系统的腐蚀分 所示 级分类标准（如IS09223和IS012944).高分子材料老 表111个典型地区气象数据(2007一2010年均值) 化失效研究起步晚，基础数据少，环境作用机制复 Table 1 Climate dates of the 11 typical regions (average values from 杂回，存在许多尚待解决的问题.例如：如何客观全 2007to2010) 面评价高分子材料的老化，如何定量分析影响材料 年均 年均 年降年降雨年日照 年辐射 老化的关键气候因素，如何通过有限数据建立材料 地点温度/湿度/雨量/时间/时间/ 总量/ ℃ mm h h (M0m2) 老化与环境之间的关联等.Li等@提出的“腐蚀基 因组工程”，通过腐蚀大数据研究材料“消亡”过程， 北京13.0 51 488 59 1620 4653 为探究环境与材料失效之间的关系提供了新思路与 敦煌11.3 38 48 2632 7846 数据支持 广州 23.5 78 1775 260 1143 4574 本文利用国家材料环境腐蚀平台积累的三元乙丙 江津18.5 80 828 504 984 3164 橡胶(EPDM)老化数据，探索性提出通过逼近理想解 拉萨 8.4 40 613 71 2230 8211 排序法将多个老化评价指标转化为综合老化评价指 漠河 -1.5 64 599 182 1887 3922 标：通过灰色关联法定量分析影响老化的关键气候因 青岛 13.8 72 877 426 2126 3609 子；通过BP人工神经网络，建立了EPDM老化与气候 琼海24.3 80 2022 117 1293 5190 间的关系模型：并通过向该模型输入全国气象数据，预 沈阳 10.9 322 69 1603 4235 测了EPDM在我国的老化程度分布情况.本文基于对 尉犁 10.1 48 26 18 2975 7480 高分子材料失效机制的理解，建立了对我国大部分气 武汉 18.0 77 1046 185 1600 3878 候环境具有普适性的预测模型，为高分子材料老化应 用的基础研究以及我国工程建设提供重要支撑. 预测未投样地区所用大气环境数据由国家气象信吴德权等: 三元乙丙橡胶老化与气候关联性及老化程度全国分布预测 高分子材料的气候老化是服役环境中光、热、湿 气、雨水、风沙、污染物等多种气候因子共同作用的复 杂过程［1］． 我国幅员辽阔，气候多样，材料在各地的失 效行为具有地域差异． 如一些高分子材料在我国高纬 度地区能够服役数十年，而在赤道附近，高温和强紫外 线的作用导致高分子材料寿命减短． 随着我国工程建 设尤其是跨区域的大型工程的发展，材料的研发、设 计、选用、防护等环节需要统筹考虑环境的多样性，以 及材料跨区域的适用性． 因此，研究高分子材料在我 国的老化程度分布，对于我国工程建设以及高分子材 料评价体系的建立，具有重要参考意义． 目前针对高分子材料的环境老化行为预测，国内 外开展了很多研究，但主要集中在通过加速试验预测 材料寿命，或者从老化机制角度探究材料老化动力学 过程等方面［2］． 例如: Sameshima 等［3］研究了 EPDM 橡 胶室内热老化相对于日本东京的自然老化加速倍率约 为 17，通 过 设 计 热 老 化 预 测 橡 胶 户 外 失 效; Gillen 等［4--7］研究了乙丙橡胶在不同温度下的老化性能之间 的关联，通过高温老化试验预测橡胶在常温环境中的 寿命; Lü 等［8］研究聚丙烯在拉萨等六个地区的老化规 律，建立老化速率与辐照强度、温度和氧分压之间的指 数关系关联式． 这些方法可用于预测特定设计环境中 的老化行为或寿命，但对于较广范围分布预测则不具 备普适性． 高分子材料在全国的老化程度分布预测， 关键在于建立材料失效与气候环境之间的关联模型， 而该方面关联模型的构建方法鲜有报道． 同高分子材料相比，金属材料环境腐蚀失效研究 较早，已积累较广泛的原始数据，建立了系统的腐蚀分 级分类标准( 如 ISO9223 和 ISO12944) ． 高分子材料老 化失效研 究 起 步 晚，基 础 数 据 少，环 境 作 用 机 制 复 杂［9］，存在许多尚待解决的问题． 例如: 如何客观全 面评价高分子材料的老化，如何定量分析影响材料 老化的关键气候因素，如何通过有限数据建立材料 老化与环境之间的关联等． Li 等［10］提出的“腐蚀基 因组工程”，通过腐蚀大数据研究材料“消亡”过程， 为探究环境与材料失效之间的关系提供了新思路与 数据支持． 本文利用国家材料环境腐蚀平台积累的三元乙丙 橡胶( EPDM) 老化数据，探索性提出通过逼近理想解 排序法将多个老化评价指标转化为综合老化评价指 标; 通过灰色关联法定量分析影响老化的关键气候因 子; 通过 BP 人工神经网络，建立了 EPDM 老化与气候 间的关系模型; 并通过向该模型输入全国气象数据，预 测了 EPDM 在我国的老化程度分布情况． 本文基于对 高分子材料失效机制的理解，建立了对我国大部分气 候环境具有普适性的预测模型，为高分子材料老化应 用的基础研究以及我国工程建设提供重要支撑． 1 试验方法与研究方法 1. 1 EPDM 老化试验与典型地区气候环境 EPDM 老化数据及典型站点气象数据由国家材料 环境腐蚀平台提供． EPDM 老化暴晒试验按照 GB / T 3511—2001 在我国 11 个大气试验站进行． 11 个站点 ( 如图 1 所示) 分布范围广泛，涵盖了我国五大气候 区，基本反映了我国不同地域气候环境． 试样暴晒时 间为 2007—2010 年，老化周期为 0、1. 5、3、6、9、10. 5、 12、18、24、30 和 36 月共 11 个周期． 老化数据如图 2 所示． 图 1 大气老化试验站点位置图 Fig． 1 Locations of outdoor weathering stations 各站点 2007—2010 年的气象数据年平均值如表 1 所示． 表 1 11 个典型地区气象数据( 2007—2010 年均值) Table 1 Climate dates of the 11 typical regions( average values from 2007 to 2010) 地点 年均 温度/ ℃ 年均 湿度/ % 年降 雨量/ mm 年降雨 时间/ h 年日照 时间/ h 年辐射 总量/ ( MJ·m － 2 ) 北京 13. 0 51 488 59 1620 4653 敦煌 11. 3 38 48 7 2632 7846 广州 23. 5 78 1775 260 1143 4574 江津 18. 5 80 828 504 984 3164 拉萨 8. 4 40 613 71 2230 8211 漠河 － 1. 5 64 599 182 1887 3922 青岛 13. 8 72 877 426 2126 3609 琼海 24. 3 80 2022 117 1293 5190 沈阳 10. 9 64 322 69 1603 4235 尉犁 10. 1 48 26 18 2975 7480 武汉 18. 0 77 1046 185 1600 3878 预测未投样地区所用大气环境数据由国家气象信 · 9341 ·