光热水同步气候下的PC老化研究及其仿真应用.pdf

42孙杭其 等 光热水同步气候下的 PC 老化研究及其仿真应用光热水同步气候下的 PC 老化研究及其仿真应用孙杭其1,2，纪国伟1,2，帅树新1,2，徐 杨1，朱 超1，苏光豪1（1 浙江大华技术股份有限公司，浙江杭州 310053；2 浙江省视觉物联融合应用重点实验室，浙江杭州 310053）摘要：由于缺乏聚碳酸酯在温和气候下的老化数据，选择杭州作为试验地点，开展为期 2 年的户外暴露试验，研究其在光、热、水同步气候下的拉伸性能老化规律，并验证所测结果在仿真领域的适用性，为预测实际产品服役期限内的工作状态提供基础。由试验结果可知，聚碳酸酯的各项拉伸性能呈现不同演化趋势：屈服强度存在强化，2 年后最高可达 103%；断裂强度基本稳定，保持率在 95.0%左右；断裂伸长率降低明显，白色样条保持率为 74.0%。此外，黑白两色的聚碳酸酯样条因为采用不同的添加剂，拉伸性能存在明显差异。结合上述研究数据，分别构建未老化以及老化后的拉伸仿真模型。通过与试验对比可知，仿真预测的最大误差低于 6.5%，证明研究结果在仿真领域的适用性。关键词：聚碳酸酯；自然老化；拉伸性能；有限元仿真中图分类号：TQ 317 Research on PC Aging under the Climate Feature of Sunshine-heat-humid over the Same Period and Its Simulation ApplicationSUN Hang-qi1,2，JI Guo-wei1,2，SHUAI Shu-xin1,2，XU Yang1，ZHU Chao1，SU Guang-hao1（1 Zhejiang Dahua Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310053,Zhejiang,China；2 Zhejiang Provincial Key Laboratory of Harmonized Application of Vision&Transmission,Hangzhou 310053,Zhejiang,China）Abstract:Due to the lack of the aging data of polycarbonate in temperate climates,selecting Hangzhou as the test site to carry out a 2-year natural exposure test,which can be used to study the aging law of its tensile properties under the seasonal cooperation of sunshine-heat-humid.After that,the obtained results were proved to be suitable for simulation,which provided a basis for predicting the working state of the actual product during its service life.According to the results,the tensile properties showed diff erent trends.Yield stress had been enhanced slightly after two-year aging,up to103%.Fracture stress remained stable,and its retention rate was about 95.0%.However,elongation ratio at break was decreased markedly,the retention rate of white specimens was 74.0%.Besides,because of using different material additives,there was an obvious difference between the tensile properties of black and white specimens.Based on the experimental data,two tensile simulation models(before and after aging)had been established based on the experiment data.Compared the simulating result with experiment result,the maximum error was less than 6.5%,showing a good applicability of the research result.Key words:polycarbonate;natural aging;tensile property;fi nite element simulation作为五大通用工程塑料之一，聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）兼具较好的透光性、抗冲击性、延展性以及韧性，并且生产成本低、设计自由度高1，因此被广泛应用于电气、医疗、建筑等领域2，已成为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料3。由此可见，PC 的应用场合多样，常常会面临高湿、高温、日晒的环境条件，因此不可避免地存在老化现象4，影响材料的实际性能5。针对该问题，开展自然老化试验是常用且低成本的解决方案。目前已有不少国家通过开展各类气候的自然大气暴露试验，以此积累产品的老化数据，为相关产业和行业的发展提供指导性意见，并成为制定行业标准、国家标准的依据6。安防设备由于受到成本、重量、设计造型等条件的约束，大多采用 PC 材料。杭州作为智能安防的典范，大量设备（诸如摄像机、红外光投射器等）布置在城市的各个角落，其中多数处于暴露环境7。杭州地处亚热带，因此具备光温同步、雨热同期的气候特点，使得 PC材料会面临光、热、水的季节性配合。但现有研究大多针对极端湿热8或者极端干热9情况，而许多工程应用并非处在极端条件4，因此选择气候较为温和的杭州作为试验地点，研究 PC 在光热水同步气候下的拉伸性能老化规律具有必要性。将服役期到期时的材料老化数据作为产品仿真模型的输入参数10，能够更加符合实际产品服役期限内的工作状态，然而现有研究大多默认采用未老化的材料参数11，使得仿真预测结果的时效性较短。因此需要构建基于老化数据的仿真预测模型，能够为产品的设计、优化、维护提供更精确的参考标准12，以此实现其工作寿命以及可靠性的提高。综上所述，本文选择具备光、热、水同步气候特点作者简介：孙杭其，工学硕士，中级工程师，主要从事力学仿真相关研究。合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期43的杭州作为试验地点，探究 PC 材料在自然老化过程中拉伸性能的演化规律。并在此基础上构建拉伸仿真模型，结合试验证明研究结果在仿真预测中的适用性。1 试验设置1.1 试验材料PC：L-1250Z，帝人化成复合塑料有限公司。1.2 试验地区与时间由于同时受到冬夏季风的影响，因此杭州存在明显的光、热、水季节性配合。春季开始，光照日益增强，气温逐渐回升。夏初杭州迎来降水高峰，此时气温适中。盛夏季节，其太阳辐射量到达一年中的顶峰，同时气温也升至最大值，随后由夏入秋，光温同步减少，并且冷空气会带来间歇的秋雨，而到了冬季，光、热、水均处于一年低谷13。具体的试验地区气候见表 1。表 1 杭州气候条件Table 1 Climate condition of Hangzhou季节平均始日平均季长/d平均气温/平均降水/(mm/d)平均日辐射/MJ/(m2d)春3-107115.74.2112.9夏5-2013226.45.3316.6秋9-296016.62.7510.9冬11-281036.12.597.2自然老化所选取的时间长度为 2 年，具体日期为2019 年 11 月至 2021 年 10 月，以保证样件能够经历四季，并于第 3、6、9、12、24 个月选取 10 根样条（黑色与白色各取 5 根）进行材料的各项指标检测。1.3 测试方法自然老化：样品试验面向正南 45，暴露试验架如图 1 所示。图 1 暴露试验架Fig.1 Device of natural exposure拉伸性能：按照 GB/T 1040.2-2006 进行测试。制备1A 型式样，样条总长度 L 为 171mm，标距长度 l 为 100 mm，窄宽度 b1为 10mm，厚度为 4mm，具体如图 2 所示。拉伸速率为 50 mm/min，环境温度为（255），环境相对湿度为（655）%。图 2 样条示意图Fig.2 Diagram of specimen1.4 检测仪器电子万能材料试验机：CMT-5105NB，三思泰捷公司。2 试验结果与讨论拉伸性能主要包含材料的屈服强度、断裂强度以及断裂伸长率，是评价聚合物力学性能的重要指标。一般认为上述参数越大，材料的力学性能越好。2.1 自然老化中屈服强度演化屈服强度随老化时间的演化如图 3 所示。其中，黑色样条的标准差为 0.756，极差为 1.4MPa；白色样条的标准差为 0.627，极差同样为 1.4MPa。由此可见，无论黑白样条，屈服强度的整体表现比较稳定，并且存在一定的提升，其中 24 个月后黑色样条提升至原来的100.4%，白色样条提升至原来的 103.0%。这是因为老化初期光氧作用占主导地位14，而 PC 在光氧作用下会发生弗利斯重排反应产生自由基，诱发PC分子链光氧降解，使 PC 材料的结构发生变化，引起屈服强度的提高15。59.060.061.062.063.064.065.0?/MPa?图 3 屈服强度-自然老化时间演化图Fig.3 Graph of the yield strength change with aging time2.2 自然老化中断裂拉伸强度演化断裂强度随老化时间的演化如图 4 所示。其中，24个月后，黑色样条的保持率为 94.9%，白色样条的保持率为 95.0%。由此可见，两者的断裂强度仅有轻微下降。40.045.050.055.060.065.070.0?/MPa?图 4 断裂强度-自然老化时间演化图Fig.4 Graph of the fracture strength change with aging time2.3 自然老化中断裂伸长率演化断裂伸长率随老化时间的演化如图 5 所示。其中，黑色样条随时间呈现明显的下降趋势，2 年后保持率降至 82.4%；白色样条的伸长率虽然在第 9 个月发生了回升，但整体仍逐步下降，2 年后保持率仅为 74.0%。图 5 断裂伸长率-自然老化时间演化图Fig.5 Graph of the elongation change with aging time除此以外，还可以发现黑白两种样条在力学性能上存在明显差异，这是因为两者采用的不同添加料剂会造成材料性能的变化。其中，白色样条中添加了钛白粉，钛白粉作为无机材料与 PC 聚合物树脂体系相容性不佳，44孙杭其 等 光热水同步气候下的 PC 老化研究及其仿真应用因此会降低材料性能16；相反，黑色样条添加了炭黑，对材料性能起到增强作用17。3 仿真结果与验证为检验老化研究结果在仿真预测中的适用性，以白色样条为研究对象，分别构建未自然老化、自然老化 24个月的拉伸有限元模型。根据样条的实际尺寸，建立三维模型，两端使用 304 不锈钢板进行夹持。采用 8 节点网格 C3D8R 对上述模型进行划分，以此兼顾仿真的速度与精度18。节点总数为 656825，单元总数为 603856，具体的网格模型如图 6 所示。图 6 样条网格模型Fig.6 Mesh model of specimen仿真模型的各项设置如下。分析方式：显式动力学。分析时长：111s。接触设置：钢板与样条采用绑定接触（Tie）。边界条件：左侧钢板全约束，右侧钢板采用50mm/min 的移动速度。采用延性损伤模型来表征 PC 的失效行为，其应力应变曲线如图 7 所示。其中，a-b 为弹性变形阶段，b-c 为塑性屈服阶段，c-d 为损伤演化阶段，c 为损伤起始点，d 为完全破坏点。模型中假定损伤开始时的等效塑性应变?是关于三维应力和应变率的函数：?(?,?)(1)式（1）中，为压应力与 Mises 等效应力的比，?)是等效塑性应变率。当下面情况成立时就达到损伤发生的准则：?=?(?,?)=1 (2)式（2）中，wD是随着塑性变形增加而单调递增的状态变量。图 7 延性损伤模型Fig.7 Model of ductile damage为评估仿真精度，需要开展对应的验证试验。两者围绕伸长率、截面宽度、截面厚度进行对比。仿真与试验的结果如图 8 所示，具体的参数对比结果见表 2 和表 3。由对比结果可知，仿真的最大误差控制在 6.5%以内，证明老化研究的结果能较好地应用于仿真预测中。(a)未自然老化 (b)自然老化 24 个月图 8 仿真与试验对比图Fig.8 Comparison figure of the simulation and experiment表 2 未自然老化的仿真试验对比Table 2 Comparison chart of the simulation and experiment before aging对比指标伸长率/%截面宽度/mm截面厚度/mm试验结果0.777.933.10仿真结果0.727.723.17相对误差6.5%2.6%2.3%表 3 自然老化 24 个月的仿真试验对比Table 3 Comparison chart of the simulation and experiment after 24-months aging对比指标伸长率/%截面宽度/mm截面厚度/mm试验结果0.578.423.87仿真结果0.548.023.70相对误差5.6%4.8%4.6%4 结论（1）在光、热、水同步的气候条件下，样条的各项拉伸性能呈现不同的演化趋势：屈服强度发生强化，2年后最高可提升至原来的 103%；断裂强度基本稳定，保持率在 95.0%左右；断裂伸长率降低明显，白色样条保持率仅为 74.0%。除此以外，由于白色样条添加了与 PC相容性不佳的钛白粉，而黑色样条添加了具有增强效果的炭黑，因此黑色样条的各项拉伸性能均强于白色样条。（2）基于上述研究结果分别构建未老化与老化 PC的拉伸有限元模型，并围绕伸长率、截面宽度、截面厚度进行试验验证，可知模型的误差均小于 6.5%，证明研究结果能较好地应用于仿真预测中。?1WONG S L,NGADI N,ABDULLAH T A T,et al.Current state and future prospects of plastic waste as source of fuel:A reviewJ.Renewable and Sustainable Energy Reviews,2015,50(1):1167-1180.2 胡亚泽,张彦,郭利健.表面活性剂处理浮选分离ABS 和 PC 塑料的研究 J.塑料科技,2020,48(03):51-543 钱伯章.PC 已成五大工程塑料中增速最快的通用工程塑料 J.合成材料老化与应用,2018,47(05):140-141.4 高炜斌,张枝苗.聚碳酸酯老化行为研究进展 J.国外塑料,2009,27(10):32-375 王紫悦,金秀英,金嘉欣,等.影响塑料老化的因素及老化测试研究 J.6 苏仕琼,易军,王春江,等.干、湿热自然气候环境下塑料老化PP老化规律研究J.塑料工业,2013,41(06):92-957 陈天钟,周川.安防大数据助力智慧杭州建设 J.中国公共安全,2017(09):51-54.8 时宇,曾湘安,洪志浩,等.太阳跟踪聚光加速老化试验在塑料耐候性领域的应用 J.环境技术,2021,39(6):70-779 李茜,赵全成,陈星昊,等.改性塑料在典型自然环境中的老化现象研究 J.环境技术,2020,38(5):45-51.?146?146马国彪 碳纤维复合材料在室内轻量化设计中的应用时先设计椅子模型，然后以碳纤维为材料进行缠绕。整件家具形态轻盈、线条流畅，体现出未来感的特征（图1c）。图 1 典型的碳纤维轻量家具Fig.1 Typical carbon fiber lightweight furnitures碳纤维复合材料具有优异特性且渐趋普遍，引发了许多国内设计师的关注。2015 年，出现的一款使用碳纤维材料制成的创新家具 大天地 系列碳纤维椅，造型灵感来自于明式南官帽椅，完美结合了东方美学与新材料，引领了国内家具的时尚潮流。综上，尽管国内运用碳纤维复合材料家具的情况较为少见，但随着我国社会发展程度的提高以及科技的进步，家具行业的创新趋势必将得到推动，特别是材料方面的突破。在不远的未来，碳纤维材料的卓越特性将给家具设计带来更多的可能性。4 结语碳纤维复合材料具有轻质高强的特性，在家具设计中使用该材料，需要结合客户心理和情感需求，兼顾材料轻量化的要求。家具设计师需要全面考虑轻量家具的意义，从国际先进的设计理念中获得灵感，以便更好地设计出符合需求的轻量家具。使用碳纤维复合材料设计的轻量家具不仅可以推动家具市场的变革，还会影响人们对家具的选择和审美。本文阐述了碳纤维复合材料在轻量化家具设计中的可行性、原则及应用案例等，具有一定的设计借鉴意义。在我国，轻量化家具设计才刚刚起步，未来需要从承载结构构型、成型工艺以及造型设计方面不断研发与优化，更好地营造碳纤维复合材料家具的轻盈感。?1 于堤娇,吴建建,毕尔豪.室内装修设计中环保类元素材料的应用 J.鞋类工艺与设计,2022(2):143-145.2 邓帅.室内设计中建筑装饰材料的选择研究 J.造纸装备及材料,2022,51(1):109-111.3 冯宪伟.PP/硅灰石复合材料在室内家具设计中的应用研究进展 J.合成树脂及塑料,2021,38(2):89-92.4 申恒.合成塑料家具在现代室内设计中的应用策略研究 J.冶金与材料,2021,41(3):102-103.5 于泳博,佟贺阳.室内环境艺术设计中高分子装饰材料的应用 J.合成材料老化与应用,2021,50(5):150-152.6 董静.碳纤维织物在室内空间中的设计与性能研究J.合成材料老化与应用,2020,49(3):93-95,130.7 许燕杰,肇研,汤冰洁,等.UVA 紫外辐射对室内碳纤维增强环氧树脂基复合材料性能的影响 J.复合材料学报,2013,30(2):63-69.8 徐从意.玻璃纤维材料在现代家具中的应用研究 J.包装工程,2020,41(14):345-350.9 陆莹,毛燎厚.家具设计中碳纤维复合材料的注塑成型与性能研究 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