熵值法在涂層老化指標權重確定中的應用

羅來正，肖勇，王寶瑞，蘇艷，朱玉琴，黎小鋒，柏遇合

（1.西南技術工程研究所，重慶400039；2.中國兵器裝備集團公司，北京100089；3.重慶電子工程職業(yè)學院，重慶401331）

環(huán)境試驗與評價

熵值法在涂層老化指標權重確定中的應用

羅來正1，肖勇1，王寶瑞2，蘇艷1，朱玉琴1，黎小鋒3，柏遇合1

（1.西南技術工程研究所，重慶400039；2.中國兵器裝備集團公司，北京100089；3.重慶電子工程職業(yè)學院，重慶401331）

目的從防護涂層力學性能和外觀評級兩方面綜合評價涂層老化程度。方法選取失光、變色、粉化、起泡、長霉、生銹、剝落、開裂、附著力等9項涂層老化指標，運用熵值法原理對涂層9項老化指標進行權重計算與分析。結果運用熵值法計算的TB06-9+TS70-60和TB06-9+TS96-71兩種防護涂層海洋大氣戶外環(huán)境暴露5年的老化綜合評價值均為3.88級，表明兩種防護涂層的抗老化性能基本一致。結論采用熵值法可以有效確定失光、變色、粉化、起泡、長霉、生銹、剝落、開裂、附著力等涂層老化指標之間的權重關系，為多指標綜合評價防護涂層老化結果提供了一種客觀、真實、有效、科學的評價方法。

涂層；熵值法；權重；老化；多指標

有機涂層因其經濟、方便等優(yōu)點已成為裝備防腐蝕保護中應用最廣泛的技術手段之一[1—4]，但涂層在實際應用過程中，本身受紫外線、潮濕空氣、雨水、腐蝕介質、干濕交替等多環(huán)境因素的綜合影響，會出現(xiàn)失光、變色、粉花、附著力下降、起泡、開裂等多種老化現(xiàn)象，喪失對基材的保護，導致涂層使用壽命大大縮短[5—11]，這對防護涂層使用和維護提出了嚴峻考驗。為了合理評價涂層老化現(xiàn)象，提前預測涂層使用壽命，研究人員先后開展了大量研究工作[12—14]，其中，GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂層老化的評價方法》從變色、粉化、開裂、起泡、長霉、生銹、剝落等7個方面較為權威地給出了防護涂層老化等級的評定。GB/T 1766—2008在評定涂層老化時未考慮力學性能（附著力）對涂層的影響，而力學性能往往是防護涂層使用時需要考慮的一個非常關鍵的因素，也是評價涂層老化失效的一個非常重要指標。目前，現(xiàn)有的涂層老化評價標準和文獻中，關于變色、粉化、開裂、起泡、長霉、生銹、剝落等老化指標之間的權重關系未明確定義，且如何通過外觀老化指標與附著力性能綜合考核涂層老化失效也未見相關報道，這些均給涂層老化失效評價帶來很大困難。因此，如何將防護涂層的外觀評級和力學性能結合起來，采用合適的數(shù)據(jù)方法確定不同老化指標相互之間的權重關系，并根據(jù)權重關系對防護涂層建立更科學、合理、有效的老化性能綜合評價體系，已成為涂層綜合優(yōu)選和預測涂層壽命急需解決的關鍵問題。

文中在GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂層老化的評價方法》防護涂層老化評價的基礎上，將變色、粉化、開裂、起泡、長霉、生銹、剝落等7項老化評價指標拓展為包括附著力、失光率在內的9項老化評價指標，并采用熵值法確定這9項老化指標的權重關系，首次從防護涂層力學性能和外觀老化評級兩方面綜合評價涂層老化程度。旨在建立更為科學、實用的防護涂層老化性能綜合評價指標體系。

1 熵值法原理

目前，由于現(xiàn)行涂層老化評價方法中存在一定問題，若要更為科學、精確地研究涂層老化程度，涂層老化指標權重確定已成為研究的關鍵，它的取值直接影響評價結果。權重確定通常有主觀賦權法和客觀權重確定法，主觀權重確定法有賴于專家知識、經驗積累和關注焦點，具有非常大的主觀性，而客觀權重確定法按數(shù)學計算準則得出各指標權重，可避免主觀權重確定法的缺陷，充分挖掘原始數(shù)據(jù)本身蘊涵的信息。為了避免在涂層老化指標權重確定中受到人為的干擾，文中采用客觀權重確定法——熵值法確定涂層老化權重系數(shù)。

熵是由德國物理學家克勞修斯于1865年提出的一個熱力學概念，用于描述熱力學系統(tǒng)的無序或混亂程度。最先由Shannon引入信息論，用于表征信息源中信號的不確定性，稱為信息熵（簡稱熵），現(xiàn)已在工程技術、社會經濟等領域得到廣泛應用[15—18]。熵值法是一種基于熵原理的客觀評價方法，能夠避免人為因素帶來的偏差。熵值法評價中的評價指標的熵越小，表示該指標提供的信息量越大，在綜合評價中所起的作用就越大，權重就越高。熵值法反映出在各種評價指標值確定的情況下，各指標在競爭意義上的相對激烈程度，它能將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，進而實現(xiàn)綜合評價。

1）構建評價矩陣：

式中：rij為第j個指標第i個樣本的數(shù)值（j=1,2,…,n；i=1,2,…,m）。

2）計算評價指標的熵。按式（2）—（4）計算第j個評價指標的熵：

式中：Hj為第j個指標的熵值；fij為第j個指標第i個樣本所占的比重；k為熵值系數(shù)；

當fij=0時，fijlnfij= 0。若某一列的rij全部相等，那么fij=1/m。

3）計算評價指標的權重。按式（5）計算第j個評價指標的權重：

式中：βj為第j個評價指標的權重。

4）模糊綜合評價。將各評價指標的權重值和指標數(shù)字等級代入式（6），計算得到涂層防護性能的綜合評價值：

式中：F為綜合評價值；Xj為第j個評價指標值；Wj為第j個評價指標的權重。

2 案例分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

近年來，隨著經濟水平的提高，我國各項發(fā)展項目積極穩(wěn)妥地進行，這對我國現(xiàn)代化建設具有重要意義。我國北方更新造林是現(xiàn)階段發(fā)展建設中的一項重要內容。更新造林是改善我國生態(tài)環(huán)境基本狀況的重要舉措。我國北方林業(yè)發(fā)展較快，但近年來的主要問題是樹木更新速度慢，這使得北方的森林面積逐漸減少。本研究將對當前我國北方退耕還林改革進行詳細的分析和思考，并提出合理的改革措施，對今后我國林業(yè)的發(fā)展起到積極的作用。

以30CrMnSiNi2A為基材，選取TB06-9鋅黃聚氨酯底漆+TS70-60聚氨酯面漆和TB06-9鋅黃聚氨酯底漆+TS96-71氟聚氨酯面漆兩種防護體系在海南萬寧試驗站開展自然環(huán)境試驗，試樣朝南并與水平成45°傾角，大氣暴露試驗方法參照GB/T 9276—1996《涂層自然氣候暴露試驗方法》執(zhí)行。試驗暴露時間為5年，取樣周期為1，2，3，4，5年，每組平行試樣為3個，采集的試樣性能數(shù)據(jù)為外觀評級和附著力，其中，外觀評價執(zhí)行標準為GB/T 1766—2008《色漆和清漆涂層老化的評級方法》，附著力執(zhí)行標準為GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》。針對防護涂層暴露試驗，按檢測周期分別對涂層的失光、變色、粉化、附著力、起泡、長霉、生銹、剝落、開裂等9項性能進行檢測，兩種防護涂層海洋大氣環(huán)境下暴露5年的環(huán)境老化數(shù)據(jù)見表1。

表1 兩種涂層暴露5年試驗數(shù)據(jù)

2.2 確定涂層老化指標評價矩陣

根據(jù)上述分析得知，該次評價共選取失光、變色、粉化、附著力、起泡、長霉、生銹、剝落、開裂等9項評價指標，每個評價指標有5個樣本（5年的試驗數(shù)據(jù)），按式（1）建立兩種涂層多指標評價矩陣如下：

2.3 計算評價指標的熵

按式（2）—（4）計算30CrMnSiNi2A+TB06-9+ TS70-60（A）防護涂層各老化指標的熵值：失光H1=0.9896；變色H2=0.9931；粉化H3=0.8163；附著力H4=0.8144。

由試驗數(shù)據(jù)得知，起泡、長霉、生銹、剝落和開裂等5項性能試驗5年的評級均為0級，均未發(fā)生變化，且被評價涂層的性能指標值完全相同，熵值達到最大，屬于無用信息，可以從評價體系中直接去除。

30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）防護涂層各老化指標的熵值計算結果：失光H1=0.9896；變色H2=0.9824；粉化H3=0.8614；附著力H4=0.8488。

同理，30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）防護涂層的起泡、長霉、生銹、剝落和開裂等5項性能試驗5年的評級均為0級，均未發(fā)生變化，且被評價涂層的性能指標值完全相同，熵值達到最大，屬于無用信息，可以從評價體系中直接去除。

對每個評價指標都按式（5）計算權重，獲取兩種涂層9項老化指標之間的權重值。其中，30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS70-60（A）防護涂層各老化指標的權重為：失光權重β1=0.0028；變色權重β2=0.0019；粉化權重β3=0.0379；附著力權重β4=0.0512；起泡權重β5=0；長霉權重β6=0；生銹權重β7=0；剝落權重β8=0；開裂權重β9=0。

為了把不同的對象放在同一起跑線上比較，一般應進行歸一化處理，即：

30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）防護涂層各老化指標的權重為：失光權重β1=0.0020；變色權重β2=0.0033；粉化權重β3=0.0261；附著力權重β4=0.0284；起泡權重β5=0；長霉權重β6=0；生銹權重β7=0；剝落權重β8=0；開裂權重β9=0。

為了把不同的對象放在公平起跑線上比較，一般應進行歸一化處理，即：

通過以上計算得知，兩種防護涂層9項老化指標的權重見表2。

表2 涂層體系老化指標權重值

2.5 涂層老化綜合評價

由表2得知，在起泡、長霉、生銹、剝落和開裂性能未發(fā)生變化前，粉化和附著力在防護涂層老化評價中占非常重要比例。將各評價指標的權重值和指標數(shù)字等級代入式（6），計算得到兩種防護涂層的綜合評價值：FA=3.878，F(xiàn)B=3.883

采用熵值法求得的30CrMnSiNi2A+TB06-9+ TS70-60（A）和30CrMnSiNi2A+TB06-9+TS96-71（B）兩種防護涂層海洋大氣戶外暴露5年的老化綜合評價值均為3.88級，約為4級，這表明兩種防護涂層的環(huán)境抗老化性能基本一致。裝備防護涂層進行抗老化優(yōu)選時，由于兩種防護涂層抗老化性能基本相當，因此，兩種防護涂層均可以選擇。

3 結語

文中介紹了一種基于熵值法的涂層老化指標權重確定的方法。這是一種客觀的評價方法，克服了主觀權重的隨意性，評價結果客觀合理。這種方法可對涂層多項老化指標進行權重評價，評價老化指標不僅僅局限于GB/T 1766中變色、粉化、開裂、起泡、長霉、生銹和剝落等7項指標，還可以拓展為失光、附著力、厚度等影響涂層老化失效的其它關鍵指標，從而彌補現(xiàn)有標準涂層老化評價的不足，從涂層外觀、力學等多方面更為客觀、科學、實用地綜合評價涂層老化程度。

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Application of Entropy Method in Weight Determining of Coating Aging Index

LUO Lai-zheng1,XIAO Yong1,WANG Bao-rui2,S U Yan1,ZHU Yu-qin1,LI Xiao-feng3,BAI Yu-he1
(1.Southwest Research Institute of Technology and Engineering,Chongqing 400039,China; 2.China South Industries Group Corporation,Beijing 100089,China; 3.Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

ObjectiveTo evaluate the aging degree of protective coating comprehensively from mechanical property and appearance rating.MethodsNine coating degradation indexes of loss of gloss,color change,pulverization,foaming, mildew,rust,peeling,cracking,adhesion were selected to calculate and analyze the weight with the entropy value method.ResultsThe comprehensive evaluation values of two kinds of protective coatings of TB06-9+TS70-60 and TB06-9+ TS96-71 after marine atmospheric outdoor environment exposure for 5 years by the entropy method were 3.88.The anti-aging performance of the two protective coatings was almost the same.ConclusionThe coating degradation index weight of loss of gloss,color change,pulverization,foaming,mildew,rust,peeling,cracking,adhesion was effectively identified by the entropy method,which provides an objective,real,effective and scientific evaluation method for multi index comprehensive evaluation of protective coating aging.

coating;entropy method;weight;aging;multi index

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.014

TJ02

A

1672-9242(2017)07-0070-04

2017-04-15；

2016-05-27

羅來正（1983—），男，江西玉山人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為環(huán)境試驗與環(huán)境適應性評價。