耐臭氧老化测试

耐臭氧老化测试技术综述

摘要：臭氧是大气中的微量气体，对高分子材料，尤其是不饱和橡胶制品具有显著的破坏作用。耐臭氧老化测试是通过模拟和强化大气中的臭氧条件，评估材料在静态或动态拉伸应变下抵抗臭氧老化的能力，从而预测其使用寿命和适用环境。本文系统阐述了该测试的检测项目、范围、标准方法及关键仪器。

一、 检测项目

耐臭氧老化测试的核心是评估材料在臭氧环境下的性能变化，主要检测项目包括：

1. 外观变化评定：这是最直观的检测项目。在规定的试验周期后，在指定的放大倍数下观察试样表面是否出现裂纹，并记录裂纹的形态、数量和尺寸。

   • 龟裂等级：通常依据标准图谱或描述性标准进行分级（如0级无裂纹，1级轻微裂纹，4级严重裂纹）。

   • 裂纹出现时间：记录试样表面首次出现可见裂纹的时间，该时间越晚，表明材料的耐臭氧性能越好。

   • 裂纹增长观察：对于动态测试，需观察裂纹随动态周期变化的扩展情况。

2. 物理性能变化率测定：测试前后测量试样的关键力学性能，计算其变化率。

   • 拉伸性能变化：测定拉伸强度、断裂伸长率的保留率。臭氧老化会导致分子链断裂，从而使这些指标下降。

   • 硬度变化：测量老化前后硬度的变化，通常以邵氏硬度单位表示。

3. 临界应变测定：材料在不发生臭氧龟裂的前提下所能承受的最大拉伸应变。通过测试一系列不同应变程度的试样，确定其临界应变值，该值是材料选择和产品设计的重要依据。

4. 动态拉伸测试下的行为评估：模拟产品在实际使用中经受往复应力的情况（如轮胎、减震件）。评估试样在周期性拉伸与回复过程中，裂纹的产生和扩展速率。

二、 检测范围

耐臭氧老化测试主要适用于暴露在大气中、可能受到臭氧攻击的各类高分子材料及制品，特别是：

• 橡胶制品：这是最主要的测试对象。

  • 轮胎：胎侧、内衬层等。

  • 密封制品：门窗密封条、O型圈、垫片等。

  • 软管：燃油管、冷却管、空调管等。

  • 传送带。

  • 减震元件：发动机支架、衬套等。

• 弹性体材料：如三元乙丙橡胶（EPDM）、氯丁橡胶（CR）、天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）、丙烯酸酯橡胶（ACM）等，用于评价和对比不同配方的耐臭氧性能。

• 涂层织物：如充气筏、篷布等表面的防护涂层。

• 塑料材料：部分热塑性弹性体（TPE）和聚烯烃材料也可能需要进行此项测试。

三、 标准方法

国内外已建立一系列标准来规范耐臭氧老化测试的条件、试样制备和评价方法。

• 国际标准：

  • ISO 1431-1：《橡胶，硫化或热塑性——耐臭氧龟裂——第1部分：静态和动态应变试验》。这是国际上最权威和广泛采用的标准之一，详细规定了静态和动态测试方法。

  • ASTM D1149：《橡胶变质性——在表面臭氧受控的密封室中测定橡胶龟裂的标准试验方法》。该标准在美国及美洲地区广泛应用。

  • ASTM D518：《橡胶变质——表面龟裂的试验方法》。

  • DIN 53509-1：《橡胶试验——耐臭氧龟裂的测定——第1部分：静态应力》。德国标准。

• 中国国家标准：

  • GB/T 7762：《硫化橡胶或热塑性橡胶 耐臭氧龟裂 静态拉伸试验》。该标准等效采用ISO 1431-1。

  • GB/T 13642：《硫化橡胶或热塑性橡胶 耐臭氧龟裂 动态拉伸试验》。同样等效采用ISO标准。

  • HG/T 2869：《橡胶和塑料软管 静态条件下耐臭氧性能的评价》。

这些标准通常对以下试验条件进行明确规定：

• 臭氧浓度：常见范围如（50±5）pphm、（100±10）pphm、（200±20）pphm 或更高，根据产品使用环境选择。

• 温度：通常为（40±2）℃。

• 相对湿度：通常控制在（55±10）%。

• 试样拉伸率：根据标准或产品要求选择，如5%、10%、20%、30%等。

• 试验周期：可根据性能要求设定，如24h、48h、72h、96h等。

四、 检测仪器

进行耐臭氧老化测试的核心设备是臭氧老化试验箱。该设备需能精确控制测试环境，其主要构成和功能如下：

1. 试验箱体：

   • 材质：内壁及样品架通常由耐腐蚀、不与臭氧反应的材料制成，如不锈钢、玻璃等。

   • 气密性：箱体需具备良好的密封性，以防止臭氧泄漏并确保浓度稳定。

   • 样品架：配备可调节的夹具，用于固定静态拉伸试样或安装动态拉伸装置。静态试样架应能保持恒定的应变，动态装置则能按设定频率和行程对试样进行往复拉伸。

2. 臭氧发生系统：

   • 原理：通常采用紫外线灯管或高压无声放电法（冷阴极放电）将空气中的氧气（O₂）部分转化为臭氧（O₃）。

   • 控制：系统需能稳定产生所需浓度的臭氧。

3. 臭氧浓度监测与控制系统：

   • 臭氧传感器：核心部件，通常采用紫外吸收法原理的传感器，实时监测箱内臭氧浓度。该方法精度高、稳定性好，且不易受其他气体干扰。

   • 控制系统：基于传感器的反馈，通过调节臭氧发生器的输出功率或进气流量，实现臭氧浓度的闭环自动控制，确保浓度在设定范围内波动。

4. 空气处理与循环系统：

   • 空气源：提供洁净、干燥的压缩空气，需经过滤和除油除水处理。

   • 温湿度控制系统：通过加热器、制冷单元、加湿器和除湿器，精确控制箱内的温度和相对湿度，以满足标准要求。

   • 循环风扇：使箱内的臭氧气体、温度和湿度均匀分布，保证每个试样处于一致的测试环境中。

5. 安全防护装置：

   • 臭氧分解装置：试验尾气排出前，需经过热催化或化学分解，将高浓度臭氧转化为无害的氧气，避免污染实验室环境。

   • 泄漏报警：配备臭氧浓度监测探头，当箱体泄漏或环境中臭氧浓度超标时发出警报。

结论

耐臭氧老化测试是评估高分子材料，特别是橡胶制品环境适应性与耐久性的关键手段。通过标准化的测试条件、精确控制的仪器以及对试样外观和物理性能的系统评价，能够有效筛选材料、优化配方、指导产品设计并预测其在实际臭氧环境下的使用寿命，对保障产品质量和安全具有重要意义。