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本研究探讨了不同密度刚性聚氨酯泡沫（RPUF）在温度、湿度和应力耦合作用下的性能退化、机制及寿命预测模型。通过加速老化试验和微观结构分析，揭示了密度对材料响应的影响，建立了基于时间-温度等效原理和多项式拟合的可靠寿命预测模型，验证其可靠性（R2>0.98）。
戴瑞贤|张新兰|李波|徐文|李光贤|吕亚东|孔米秋
中国四川省成都市610065，四川大学航空航天学院，先进空间机构与智能航天器重点实验室，教育部；国家先进聚合物材料重点实验室
摘要
本研究探讨了温度、湿度和应力对不同密度刚性聚氨酯泡沫（RPUFs）性能、降解机制和寿命预测的耦合影响。老化后，RPUFs的蠕变率随温度和应力的增加而增加，但随密度的增加而减小。中心部分的泡孔没有显著变化，而靠近应力作用表面的泡孔出现塌陷和变形，且变形程度随应力的增加而增大。对于0.1g/cm3的RPUFs，由于微裂纹和水分驱动的塑性化作用，Tg减小；而对于0.2g/cm3的RPUFs，由于压缩变形和硬化刚性区域的增强约束作用，Tg增大。此外，发现吸水率随密度的减小而增加，但随温度的升高而增加。最后，基于温度、湿度和应力耦合效应下的蠕变行为，建立了一个基于时间-温度等效原理和多项式的RPUFs寿命预测的可靠数学模型，并将该方法与经典预测模型进行了比较。
引言
刚性聚氨酯泡沫（RPUFs）由于其优异的抗冲击性[[1], [2], [3], [4]]、优异的机械性能[[5], [6], [7], [8]]、轻质特性[9]、高闭孔率[9]和低导热系数[10,11]，被广泛应用于隔热和结构材料领域。在实际应用中，RPUFs的蠕变行为[12,13]和应力松弛[14]对其使用寿命起着关键作用，而这些性能受温度[15,16]、湿度[17]和应力[18]等环境条件的影响。因此，揭示RPUFs在多因素耦合条件下的老化行为和寿命预测非常重要。
对于RPUFs的老化行为，温度主要导致分子结构的断裂和新结构的形成，如新的羰基团的生成、甲基键等的断裂[19]以及质量的损失。应力会导致泡孔结构的变形和取向，从而阻碍氧气的扩散[20]。湿度使RPUFs吸收水分并发生水解，因为水在多孔结构中的扩散更容易，导致氢键的形成和某些基团（如-NCO）的反应。因此，热性能[21]、机械性能和蠕变行为[22]会发生变化，严重损害产品的安全性和稳定性。此外，湿热和热应力通常会加速RPUFs的分子结构和性能的变化[16,17,23]。这是因为湿热环境会导致RPUFs的热氧化降解和水解反应，而RPUFs的蠕变行为通常是由热应力的耦合效应引起的。例如，Yarahmadi等人[24]指出，在空气中150°C下老化8周后，RPUF会逐渐变黄，并观察到新的羰基峰，而甲基峰减弱，但弯曲强度基本保持不变。Yang等人[25]验证了在200°C、9.62kPa的应力下作用5小时后，PUF的泡孔表现出明显的取向，这阻碍了氧气的渗透，从而加速了降解，并使Tg增加了1.6°C。Izabela等人[17]报告称，在水浴中热老化后，80°C下的RPUF比40°C下的黄变更明显，吸水率也更高，交联密度和Tg均因湿度引起的后聚合和氢键形成而增加。可以看出，已经研究了RPUFs在单因素和双因素条件下的老化行为和机制。然而，温度、湿度和应力耦合效应如何同时影响RPUFs的分子结构和性能变化尚未明确。有研究表明，在自然风化（温度、湿度、紫外线）条件下，RPUFs会发生明显的光解和水解反应，导致质量损失、表观密度降低、黄变和孔结构破坏[19]。
基于聚合物在不同环境条件下的老化性能和机制，提出了寿命预测模型。对于单因素，提出了基于温度的Arrhenius模型和基于应力的Findley幂律模型[26]。对于温度和应力的耦合效应，开发了时间-温度-应力叠加原理[27,28]、改进的Arrhenius模型[29]和Schapery理论[30]。然而，RPUF的应用场景通常较为复杂，其在多因素下的性能降解、相对机制和寿命预测很少被研究，这对于指导其应用非常重要。
本研究探讨了在温度、湿度和应力耦合效应下RPUFs的降解性能、机制和寿命预测。通过对分子结构、泡孔形态、蠕变行为和热性能在耦合效应下的系统研究，阐明了老化机制，建立了微观结构与宏观性能之间的关系。此外，基于RPUF在温度、湿度和应力耦合效应下的蠕变行为，利用时间-温度叠加原理[31,32]得到了随时间变化的蠕变主曲线，然后通过多项式拟合方法[33], [34], [35]建立了蠕变时间方程。同时，利用扩展的Arrhenius方程建立了环境因素与蠕变曲线之间的数学关系。最终完成了寿命预测模型的建立，决定系数（R2）超过0.98。
材料与加速老化测试
实验中使用的RPUFs密度分别为0.1 g/cm3和0.2 g/cm3，由航空航天材料与加工技术研究院提供。样品为长50mm、宽50mm、高25mm的矩形块。
加速老化测试在湿热老化试验箱（AK/KHSB-3502，安科环境测试设备有限公司）中进行，该试验箱配备了压缩装置（图1），用于对样品施加压缩应力并监测其蠕变变形
初始性能
图2显示了密度为0.1g/cm3和0.2g/cm3的RPUFs的分子结构和机械性能。注意，图2a中的FTIR光谱是通过1596cm-1处苯基吸收峰的强度进行归一化的。然后，如图2b所示，定量分析了特征基团的峰强度。对于密度为0.1g/cm3和0.2g/cm3的RPUFs，均观察到1097cm-1处的C-O-C峰、1704cm-1处的C=O峰和2962cm-1处的-CH2峰
结论
揭示了在温度、湿度和应力耦合条件下，密度为0.1 g/cm3和0.2 g/cm3的RPUFs的性能和机制。高温和应力会加速RPUFs的蠕变，但高密度RPUFs的蠕变率降低。老化后以及在高老化温度下，Tg减小。此外，不同密度的RPUFs对应力的敏感性相反。对于密度为0.1 g/cm3的RPUFs，水分塑化和应力损伤均有所减少
CRediT作者贡献声明
戴瑞贤：撰写——初稿、研究、数据分析。张新兰：撰写——初稿、数据分析、概念构思。李波：撰写——审稿与编辑、研究、概念构思。徐文：撰写——审稿与编辑、项目管理。李光贤：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调。吕亚东：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理。孔米秋：撰写——审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52473045和U22B2080）以及学科人才引进计划（编号：B13040）的资助。
