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抗臭氧老化检测

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发布时间：2025-07-12 00:16:53 更新时间：2025-07-11 00:16:53

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

抗臭氧老化检测概述

臭氧（O₃）是大气中的一种活性气体污染物，尤其在工业区和城市环境中浓度较高。它对许多高分子材料，尤其是含有不饱和双键的橡胶（如天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶等）具有强烈的破坏作用。臭氧分子易与橡胶分子链中的双键发生反应，导致材料表面产生龟裂（细小的裂纹），并随着暴露时间的延长或应力的作用，裂纹会不断扩大、加深，最终致使材料物理机械性能（如拉伸强度、断裂伸长率、弹性和密封性等）急剧下降，丧失使用功能。这种现象被称为臭氧老化或臭氧龟裂。

抗臭氧老化检测就是评估橡胶、塑料、涂层等高分子材料在含臭氧环境下抵抗龟裂和保持性能能力的专门试验。对于汽车零部件（如密封条、软管、轮胎侧壁）、电线电缆护套、建筑密封件、工业胶管、传送带等暴露于大气臭氧环境中的产品而言，这项检测至关重要，是保障其长期可靠性和使用寿命的关键质量控制环节。通过模拟加速臭氧老化条件，该检测能够在相对短时间内预测材料在实际使用环境中的耐久性能，为材料选型、配方优化和产品质量控制提供科学依据。

检测项目

抗臭氧老化检测的核心项目通常包括：

龟裂出现时间： 观察并记录试样在规定的臭氧浓度和试验条件下，表面开始出现可见裂纹（龟裂）所需的时间。时间越长，表明材料的静态抗臭氧性能越好。
龟裂程度（等级）： 在规定的暴露时间后，评估试样表面裂纹的长度、宽度、密度和严重程度。通常依据标准图谱或描述进行评级（如0级-无裂纹，1级-轻微裂纹，...，5级-严重裂纹）。
临界应变： 测定在特定臭氧浓度下，材料不发生龟裂所能承受的最大拉伸应变（伸长率）。该值越高，材料抵抗臭氧龟裂的能力越强。
动态臭氧老化性能： 试样在经受周期性拉伸或弯曲等动态应变的同时暴露于臭氧环境，评估其在动态应力状态下的抗龟裂能力。这对于评估如轮胎等承受动态负荷的部件尤为重要。
性能变化率： 在臭氧老化试验前后，测试材料的物理机械性能（如拉伸强度、断裂伸长率、硬度等）变化，计算性能保留率或下降率。

检测仪器

进行抗臭氧老化检测的核心设备是臭氧老化试验箱。其主要组成部分和功能要求如下：

臭氧发生器： 采用紫外灯照射法或高压无声放电法产生稳定、均匀的臭氧气体。
试验室（工作室）： 密闭空间，用于容纳试样和臭氧气体。内壁应采用耐臭氧腐蚀的材料（如不锈钢）。
臭氧浓度控制系统： 通过调节臭氧发生器的输出功率和/或引入新鲜空气进行稀释，精确控制并维持试验室内预设的臭氧浓度（常用范围如50 pphm, 100 pphm, 200 pphm）。配备高精度臭氧浓度传感器进行实时监测。
温湿度控制系统： 精确控制试验室的温度和相对湿度（如40°C ±2°C, 55%RH ±10%），因为温度对臭氧老化速率有显著影响。
气体循环与排风系统： 确保箱内臭氧分布均匀，并安全排出废气（通常需经臭氧分解装置处理）。
试样架： 用于固定试样。静态测试时，试样可按一定伸长率（如10%, 20%, 40%）固定在夹具上；动态测试时，试样架需能实现周期性拉伸或弯曲运动。
光源（可选）： 某些标准（如ISO 1431-3）要求模拟太阳光的紫外辐射进行综合老化试验。

检测方法

主要的抗臭氧老化检测方法依据试样是否承受应力以及应力的状态分为：

静态拉伸法：
- 将哑铃型或矩形试样拉伸至预定的恒定伸长率（通常为5%, 10%, 20%, 40% 等），固定安装在试样架上。
- 将装有试样的试样架放入已调至规定臭氧浓度、温度和湿度的臭氧老化试验箱中。
- 在设定的时间间隔（如每隔一定小时）或连续观察试样表面，记录首次出现裂纹的时间。
- 到达规定试验时间后，取出试样，评估裂纹程度（评级）和/或测试物理性能变化。
动态拉伸法：
- 试样同样被拉伸，但其伸长率不是恒定的，而是在设定的最小伸长率（ε_min) 和最大伸长率 (ε_max) 之间进行周期性往复运动（通常频率较低，如0.5 Hz）。
- 试样在承受动态应变的同时暴露于臭氧环境。
- 评估方法同静态法，主要关注在动态应力下抵抗龟裂的能力。

关键步骤：

试样制备：按标准规定裁取，表面清洁无污染。
条件设定：根据产品标准或协议设定臭氧浓度、温度、湿度、试验时间、试样伸长率（静态）或应变范围/频率（动态）。
预调节：试样在放入试验箱前，通常在标准实验室环境下调节规定时间。
暴露试验：启动试验箱，达到设定条件后将试样放入，开始计时。
观察与记录：按计划时间点或连续观察裂纹情况。
结果评估：试验结束后，进行裂纹评级和/或物理性能测试。

检测标准

国际上和国内广泛采用的抗臭氧老化检测标准主要包括：

ASTM D1149： 《橡胶变质试验室臭氧暴露的标准试验方法（三角形试样）》(Standard Test Methods for Rubber Deterioration-Cracking in an Ozone Controlled Environment)。这是最常用的静态拉伸法标准之一，详细规定了试验条件和程序。
ASTM D518： 《橡胶变质-表面龟裂的标准试验方法》(Standard Test Method for Rubber Deterioration-Surface Cracking)。更早的标准，部分方法被D1149涵盖。
ASTM D3395： 《动态臭氧龟裂试验的标准试验方法》(Standard Test Methods for Rubber Deterioration-Dynamic Ozone Cracking in a Chamber)。专门针对动态测试方法。
ISO 1431： 《橡胶或塑料涂覆织物耐臭氧龟裂的测定》(Rubber, vulcanized or thermoplastic - Resistance to ozone cracking)。分三部分：
- Part 1: Static strain test (静态应变试验)
- Part 2: Dynamic strain test (动态应变试验)
- Part 3: Reference and alternative methods for determining the ozone concentration in laboratory test chambers (实验室试验箱中臭氧浓度测定的参考方法和替代方法)
DIN 53509： 《橡胶试验；耐臭氧老化试验第1部分：静应力》(Testing of rubber; Determination of resistance to ozone cracking - Part 1: Static stress)。德国标准，类似ASTM D1149。
GB/T 7762： 《硫化橡胶或热塑性橡胶耐臭氧龟裂静态拉伸试验法》。中国国家标准，等效采用ISO 1431-1。
GB/T 13642： 《硫化橡胶耐臭氧老化试验动态拉伸试验法》。中国国家标准，等效采用ISO 1431-2。
SAE J1401： 《汽车空调软管》等汽车行业标准中也会引用或规定具体的抗臭氧老化测试要求。