試驗環(huán)境和時間對泡沫塑料性能影響的顯著性分析

佘祖新，李 茜，孫有美,3，牟獻良

（1 西南技術工程研究所，重慶400039；2重慶江津大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，重慶402260；3海南萬寧大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，海南571500）

泡沫塑料具有減震、隔熱、吸音等特性，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、交通運輸?shù)阮I域得到了廣泛應用，在包裝行業(yè)中通常作為緩沖材料使用[1]。相比被包裝品，包裝在使用過程中更容易受環(huán)境因素如熱、氧、光、水分及大氣介質等綜合影響而發(fā)生老化現(xiàn)象，對長期貯存的產(chǎn)品，包裝材料的壓縮應力等力學性能一旦顯著下降，會影響產(chǎn)品的裝卸和運輸安全。

針對泡沫塑料的老化性能、老化機理、性能評價等研究，我國學者[2-6]已開展了相關工作。本文的試驗和分析，目的是借助方差分析等數(shù)學手段，對試驗數(shù)據(jù)進行量化研究，提供適宜的試驗結果判定方法。

1 試驗

1.1 試驗樣品

樣品材料共三種，分別是聚乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料，樣品規(guī)格為100mm×100mm×50mm，每次用于性能檢測的平行樣5件。

1.2 試驗地點及環(huán)境條件

在國防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗站網(wǎng)的江津試驗站、海南試驗站的棚下進行試驗，試驗期間的環(huán)境條件見表1。

表1 試驗環(huán)境條件Table 1 Test environmental conditions

1.3 試驗及檢測方法

采用棚下暴露自然環(huán)境試驗，樣品平放于暴露架隔板上，暴露架與地面垂直。試驗期間分別于3、6、12、18、24、36個月對樣品進行外觀檢查和壓縮應力測定。

外觀檢查主要觀察樣品表面的顏色變化、粉化、長霉、裂紋、尺寸變化等狀況。壓縮應力測定以試樣厚度50%的變形載荷量壓縮試樣，按照“GB/T 8168-2008 包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗方法”測定壓縮應力，測試設備為AG5000A萬能材料試驗機，然后計算試驗前后壓縮應力的保留率（%）。

2 試驗結果

三年試驗，試樣未出現(xiàn)明顯的外觀變化。壓縮應力保留率（%）見表2。

表2 泡沫塑料試驗三年壓變50%的壓縮應力保留率（%）Table 2 The compressive stress retention rate of foam plastics tested for three years under pressure change 50%

3 方差分析

3.1 分析計算

對表2數(shù)據(jù)進行方差分析，可以獲得試驗環(huán)境對不同材料在各個時間下的影響情況。

設因素A代表環(huán)境條件，它有兩個水平（江津站、海南站），p=2；因素B代表材料品種數(shù)，有3個水平（聚乙烯、聚氨酯、聚苯乙烯），q=3；因素C代表試驗時間，有7個水平（0、3、6、12、18、24、36），r=7。取測試數(shù)據(jù)平均值進行計算，結果見表3。

表3 方差分析計算表與臨界值Table 3 Calculation table of variance analysis and critical value

3.2 顯著性判斷

由表3判斷：FA＞F0.01，A的主效應高度顯著；FB＞F0.01，B的主效應高度顯著；FC＞F0.01，C的主效應高度顯著；FAB＜F0.1，AB交互效應不顯著；FBC＞F0.01，BC交互效應高度顯著；F0.05＜FAC＜F0.01，AC交互效應顯著是存在的。

4 結果分析

4.1 試驗環(huán)境影響

從試驗結果看，材料在江津站和海南站的壓縮應力存在顯著的差異（A的主效應高度顯著）∶江津=89.2，海南=90.4。

由此可見，泡沫塑料的棚下老化在江津是快于海南的，并且這種差異不會因材料不同有顯著區(qū)別（AB交互效應不顯著）：

它表明環(huán)境地域條件對試驗結果的影響，三種材料表現(xiàn)一致。

高分子材料在棚下一般會受到溫度、濕度、大氣腐蝕性介質以及太陽散射光等作用，其老化過程主要是熱氧老化和水解反應，通常來說，溫度越高、濕度越大老化越嚴重，但試驗表明環(huán)境產(chǎn)生的熱效應不一定就是泡沫塑料性能退化的最主要原因，在一定溫濕條件下，大氣中的酸性腐蝕介質對材料的長期侵蝕影響不容被忽視。表1顯示出江津大氣中二氧化硫含量很高，約是海南站的7倍。

4.2 試驗時間影響

另外，試驗時間導致的性能降低，具有以下兩個特點：

一是不同材料有不同影響（BC交互效應高度顯著），如第三年性能下降幅度，三種材料分別為：

主要表現(xiàn)為老化時間對聚氨酯泡沫的影響較小。

二是在不同環(huán)境地區(qū)其影響也不相同（AC交互效應顯著存在），如第一年性能下降，江津站和海南站分別為：

兩者明顯不同。

4.3 材料品種影響

5 回歸分析

對表2數(shù)據(jù)進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，泡沫塑料的壓縮應力保留率（%）K值同老化時間t（年）具有相關性，且符合指數(shù)函數(shù)K=AeBt和線性函數(shù)K=A+Bt分布規(guī)律，其中指數(shù)函數(shù)式的相關系數(shù)r值略優(yōu)于線性函數(shù)式的r值，說明指數(shù)回歸更貼合于高聚物的降解反應過程。表4為指數(shù)回歸函數(shù)及壓縮應力下降50%的預測壽命，可見三種泡沫塑料的壓縮應力預測壽命年限較長，一般均能滿足包裝使用需要。

表4 泡沫塑料壓縮應力保留率的回歸函數(shù)表達式Table 4 Regression function expression of compressive stress retention rate of foam plastics

6 結論

（1）泡沫塑料的棚下老化在江津地區(qū)快于在海南地區(qū)，三種泡沫老化結果表現(xiàn)一致沒有顯著區(qū)別。

（2）試驗時間所導致的材料性能降低，對不同材料影響程度不同，試驗的三種材料中，聚氨酯泡沫塑料的壓縮應力保留率顯著高于其它兩種材料。

（3）對泡沫塑料老化數(shù)據(jù)進行回歸分析得出，其壓縮應力保留率同老化時間更符合指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律，可以利用這種數(shù)學模型預測其壽命期限。