基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高溫快速固化環(huán)氧樹(shù)脂膠膜制備-性能模型預(yù)測(cè)*

邵康宸，史洪源，陳文靜，張?jiān)佨?/p>

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空材料工程學(xué)院，陜西西安710089）

現(xiàn)代信息科技與工業(yè)正在飛躍式的發(fā)展，人口也越來(lái)越稠密化分布，環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯。因此，綠色無(wú)污染的膠粘劑的研發(fā)已顯得十分緊迫。綠色膠粘劑對(duì)人體無(wú)害，也不會(huì)污染我們所生活的環(huán)境，能夠較好地滿(mǎn)足“安全、環(huán)保、健康”這三個(gè)特性。因此，低毒性膠、固體膠以及無(wú)溶劑膠這三種類(lèi)型的膠黏劑，必將成為未來(lái)該行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的環(huán)保性較高，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛性的應(yīng)用以及深度的研發(fā)[2]。它因生產(chǎn)程序簡(jiǎn)單、固化速度快、包裝簡(jiǎn)便、儲(chǔ)存方便、綠色環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)受到廣泛青睞。

在制備高溫快速固化環(huán)氧樹(shù)脂膠膜時(shí)，影響膠膜性能的主要因素有增韌劑聚氨酯的含量、固化劑雙氰胺的含量、固化溫度、固化時(shí)間。通常使用均勻試驗(yàn)或正交試驗(yàn)確定最佳的工藝參數(shù)，所以存在較多測(cè)試數(shù)據(jù)和繁重的工作量。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠在一定程度上模擬人腦并實(shí)施一些智能行為，擁有自我學(xué)習(xí)、自我適應(yīng)、自我組織、容錯(cuò)性高等特征，屬于一種高度非線性的處理，在函數(shù)關(guān)系問(wèn)題的解決方法上并不明顯，能夠較為準(zhǔn)確地面對(duì)復(fù)雜的非線性過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型[3]。但是，當(dāng)前有關(guān)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)高溫快速固化環(huán)氧樹(shù)脂膠膜工藝與性能關(guān)系的研究較少。

本文根據(jù)正交試驗(yàn)，借助反向傳播（BP）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4]，設(shè)計(jì)不同的工藝參數(shù)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂膠膜粘結(jié)強(qiáng)度影響的網(wǎng)絡(luò)模型，此模型能夠較好地對(duì)其性能實(shí)施預(yù)測(cè)與分析，大大優(yōu)化了其工藝參數(shù)，在更深層次上借助此項(xiàng)制備工藝優(yōu)化了環(huán)氧樹(shù)脂膠膜，并對(duì)其結(jié)構(gòu)以及熱穩(wěn)定進(jìn)行了表征分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂(EP128、EP301)，工業(yè)級(jí)，長(zhǎng)興化學(xué)材料有限公司；雙氰胺，工業(yè)級(jí)，日本味之素精細(xì)化學(xué)公司；聚氨酯（PU），工業(yè)級(jí)，北京德沃特化工科技有限公司；咪唑，工業(yè)級(jí)，德國(guó)德固薩公司；硅微粉，工業(yè)級(jí)，西安三浦精細(xì)化工廠；丙酮，分析純，西安三浦精細(xì)化工廠。

1.2 試驗(yàn)儀器

WQF-310型傅里葉變換紅外光譜儀, 北京第二光學(xué)儀器廠；WDWDZE-50型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南市宏遠(yuǎn)機(jī)械廠；TGAQ-50型熱失重分析儀，美國(guó)TA公司； 2910Modulated 型差示掃描量熱分析儀，美國(guó) TA 公司。

1.3 試驗(yàn)制備

將雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂根據(jù)m（128）與m（301）等量的原則在90～100 ℃的溫度下混合后，將固化劑、促進(jìn)劑、填料、增韌劑等投入其中并攪拌均勻，隨后使其均勻地覆蓋在離型PET薄膜上，在60℃的溫度下烘烤成膜，在一定溫度和一定時(shí)間下固化以后，測(cè)試相關(guān)性能，以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化并選出制備高溫快速固化環(huán)氧膠膜的最優(yōu)工藝參數(shù)與各組成的含量。

1.4 測(cè)試與表征

(1)粘接強(qiáng)度：執(zhí)行GB/T 14074.10-1993，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)量（鐵板基板尺寸為100cm × 30cm ×0.3cm，施膠面積為3cm×3cm，平均5組樣品的數(shù)值）。

(2)結(jié)構(gòu)特征：使用紅外光譜（FT-IR）進(jìn)行表征（掃描信號(hào)以4cm-1的分辨率累積16次，并將產(chǎn)物直接直接壓片，最終成樣）。

(3)剪切強(qiáng)度：根據(jù) GB/T 7124 -2008， 采用萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī) WSM- 20KN(長(zhǎng)春市智能儀器設(shè)備有限公司)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件:環(huán)氧樹(shù)脂膠膜。本試驗(yàn)中，將環(huán)氧樹(shù)脂膠膜的粘結(jié)性能（R/MPa）作為考察指標(biāo)。環(huán)氧樹(shù)脂膠膜的粘結(jié)強(qiáng)度與其粘結(jié)性能呈正相關(guān)，即粘結(jié)強(qiáng)度越大，粘結(jié)性能越好。選取對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂膠膜的粘結(jié)性能有較大影響的增韌劑PU的含量(A/%)、固化劑雙氰胺的含量(B/%)、固化溫度(T/℃)以及固化時(shí)間（t/s）作為變化因素，并利用L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)[5]，正交試驗(yàn)水平和因素選擇見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表2，極差結(jié)果分析見(jiàn)表3。

表1 正交試驗(yàn)因素和水平表Table 1 Levels and factors of the orthogonal test

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表Table 2 Results of the orthogonal test

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析表Table 3 Range analysis of orthogonal test results

由表2看出，工藝參數(shù)的選擇對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂膠膜的粘結(jié)強(qiáng)度有著較為明顯影響，其中第7組工藝水平組合（A3B1T3t2）所得數(shù)值最大，為40.22 MPa。由表3的極差R可以看出，四個(gè)因素對(duì)此種類(lèi)型的樹(shù)脂膜的粘結(jié)強(qiáng)度影響程度由大到小分別為：固化溫度>聚氨酯含量>雙氰胺含量>固化時(shí)間。經(jīng)過(guò)綜合分析，最終得出：PU含量為30%，雙氰胺含量為10%，固化溫度為230℃，固化時(shí)間為120s，最優(yōu)工藝組合為(A3B2T3t2)。因?yàn)檫@一工藝組合在本次正交試驗(yàn)當(dāng)中并未出現(xiàn)，所以對(duì)該工藝組合需要再進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。

2.2 BP網(wǎng)絡(luò)模型的確定

BP網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用范圍最為廣泛、技術(shù)最為成熟的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能在一定程度上快速處理復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。BP網(wǎng)絡(luò)通常分為正向和反向傳播，并且由三層結(jié)構(gòu)組成：輸入層、輸出層、隱藏層[6]。激勵(lì)函數(shù)對(duì)其產(chǎn)生一定的作用，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)輸入層逐漸傳播至隱藏層和輸出層，如果沒(méi)有獲得期望值，就進(jìn)入了反向傳播程序，通過(guò)數(shù)次校正閾值與權(quán)值，結(jié)果得出輸出值在允許的誤差范圍之中。

有諸多因素影響環(huán)氧樹(shù)脂膠膜的粘結(jié)強(qiáng)度，如增韌劑PU的含量(A/%)、固化劑雙氰胺的含量(B/%)、固化溫度(T/℃)以及固化時(shí)間（t/s）等。本研究確定環(huán)氧樹(shù)脂膠膜中PU的含量(A/%)、雙氰胺的含量(B/%)、固化溫度(T/℃)以及固化時(shí)間（t/s）四個(gè)因素為輸入樣本，環(huán)氧膠膜粘結(jié)強(qiáng)度為輸出樣本，最終確定隱含層為9個(gè)。如圖1所示。

圖1 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型圖Fig. 1 The architecture of the BP ANN model

2.3 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與預(yù)測(cè)

2.3.1 數(shù)據(jù)的處理

確定輸入樣本與輸出樣本后，通過(guò)premnmx對(duì)其實(shí)施歸一化處理，使所有結(jié)果介于0-1之間，數(shù)據(jù)通過(guò)仿真和訓(xùn)練之后，最后將其實(shí)施反歸一化處理[7]。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與預(yù)測(cè)

本研究通過(guò)學(xué)習(xí)率可變的動(dòng)量BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，采用的訓(xùn)練函數(shù)為-traingdx，采用的隱層函數(shù)為可微的雙曲正切函數(shù)-tansig，采用的隱含層與輸出層均為線性函數(shù)-purelin。訓(xùn)練的整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，最大訓(xùn)練次數(shù)設(shè)置為1000，學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.05。

如表4所示，實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值契合度較高，相對(duì)誤差較小，表明該模型較好的反應(yīng)出輸入值與輸出值二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。進(jìn)行137次的有效迭代之后，最終得到較為穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)這一網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂膠膜粘結(jié)強(qiáng)度的性能，并為最優(yōu)工藝提供較為可信的依據(jù)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較如圖2所示。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的擬合曲線如圖3所示，其相關(guān)系數(shù)為R=0.99875。

表4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的比較Table 4 Comparison of experimental data with predicted values by BP ANN

圖2 試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的比較Fig. 2 Comparison of experimental data with predicted values

圖3 試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的擬合曲線Fig. 3 Experimental values and curve fitting of predicted values

2.3.3 BP網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)

經(jīng)過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效訓(xùn)練，可通過(guò)正交試驗(yàn)預(yù)測(cè)81個(gè)不同工藝水平組合。依據(jù)不同工藝參數(shù)組合，可以得出環(huán)氧膠膜粘結(jié)強(qiáng)度變化曲線，如圖4所示。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果Fig. 4 Prediction results of BP neural network

由圖4可以看出，BP網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)曲線呈現(xiàn)相應(yīng)的起伏，說(shuō)明不同工藝參數(shù)下的組合的確對(duì)環(huán)氧膠膜的粘結(jié)強(qiáng)度有著顯著的影響。BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)曲線最高點(diǎn)是第62組工藝組合(A3B2T3t2)，此工藝組合得到粘結(jié)強(qiáng)度為值39.5817MPa（處理后的結(jié)果），此預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)試結(jié)果40.22MPa并無(wú)顯著差異，此參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的工藝條件為PU含量為30%，雙氰胺含量為10%，固化溫度為230℃，固化時(shí)間為120s。

本文以對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)的正交試驗(yàn)結(jié)果（表3、表4）為參考進(jìn)行分析，將工藝組合（A3B2T3t2）初步確定為最優(yōu)工藝組合，表明正交試驗(yàn)同BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間存在彼此相關(guān)性。因?yàn)锽P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易于陷入部分最小值，所以本文所選擇的值是否為全部的最佳值還有待商榷，這就要求我們?cè)俣噙x擇幾組數(shù)據(jù)開(kāi)展相應(yīng)的研究與分析。由圖4可以看出，還有另外5個(gè)工藝組合在相對(duì)位置的極大值點(diǎn)處，它們分別是第8組（A2B1T2t2），第17組（A2B1T3t1）、第35組（A3B1T2t2）、第54組（A3B1T3t2）以及第72組（A3B2T2t3），其輸出的預(yù)測(cè)值分別為39.3630MPa、39.1150MPa，39.4793MPa、39.4534MPa以及39.1788MPa，可以看出此五組粘結(jié)強(qiáng)度值均小于第62組工藝組合的粘結(jié)強(qiáng)度。因此，綜合考慮，可以確定第62組工藝組合(A3B2T3t2)為最佳工藝，所制備的環(huán)氧膠膜粘結(jié)強(qiáng)度最好。

2.4 環(huán)氧膠膜的FT-IR分析

通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工藝組合(A3B2T3t2)制備環(huán)氧樹(shù)脂膠膜，PU含量為30%，雙氰胺含量為10%，固化溫度為230℃，固化時(shí)間為120s，制備的膠膜固化后的紅外光譜如圖5所示。

圖5 固化環(huán)氧膠膜的FT-IR譜圖Fig. 5 FT-IR curve of curing epoxy film

從圖6可以看出，C-H 的面內(nèi)彎曲振動(dòng)、面外彎曲的振動(dòng)吸收峰分別在1228cm-1和821cm-1處；-CH3、-CH2-的伸縮振動(dòng)特征吸收峰在2946cm-1處；苯環(huán)骨架的振動(dòng)吸收峰在1608～1511 cm-1處；為C-O的振動(dòng)收縮吸收峰在1180cm-1處；環(huán)氧基團(tuán)的特征吸收峰在908 cm-1處，從圖中可以看出此處的特征吸收峰已基本消失，說(shuō)明采用制備環(huán)氧樹(shù)脂膠膜的最佳工藝參數(shù)，PU含量為30%，雙氰胺含量為10%，固化溫度為230℃，固化時(shí)間為120s，環(huán)氧膠膜在此固化條件下已基本固化完全。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)正交試驗(yàn)，建立了一種高溫快速固化環(huán)氧樹(shù)脂膠膜工藝-性能關(guān)系BP網(wǎng)絡(luò)模型，此模型所得預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值曲線擁有較高的契合度，所得誤差較小，最大誤差不超過(guò)3%，相關(guān)系數(shù)為0.99875。

（2）通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的制備高溫快速固化環(huán)氧樹(shù)脂膠膜最佳工藝條件為：增韌劑PU含量為30%，固化劑雙氰胺含量為10%，固化溫度為230℃，固化時(shí)間為120s。

（3）采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工藝制備的環(huán)氧樹(shù)脂膠膜具有粘結(jié)強(qiáng)度高、固化速度快的優(yōu)異性能。