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臭氧對高分子材料,尤其是不飽和橡膠的老化破壞,是一種具有高度選擇性的化學反應。深入理解這一過程,是有效利用臭氧老化試驗箱進行材料評價和壽命預測的基礎。
分子層面的反應:
臭氧分子具有強親電性,會快速、選擇性地攻擊橡膠分子鏈上的碳碳雙鍵。
根據Criegee機理,反應首先形成不穩定的初級臭氧化物,該中間體迅速分解,產生高活性的兩性離子和羰基化合物。
這些高活性中間體在材料環境中,會進一步與鄰近的聚合物鏈、水分子或其他物質發生反應,導致主鏈斷裂(裂解)或形成新的化學結構(如交聯、含氧基團)。
宏觀龜裂的形成(關鍵在靜態應變下):
當材料處于靜態拉伸狀態(如密封件安裝后的狀態)時,分子鏈被拉伸取向。
臭氧優先攻擊這些被拉伸、暴露程度高的分子鏈上的雙鍵,直接導致分子鏈斷裂。
鏈斷裂點在垂直于拉伸應力的方向上引發微裂紋。
裂紋頂部形成新的應力集中區域,使該區域的分子鏈進一步拉伸,更易遭受臭氧攻擊,導致裂紋持續擴展。這種定向的鏈斷裂-裂紋擴展循環最終形成肉眼可見的、通常垂直于應力方向的龜裂。(注:動態應力下也可能發生臭氧老化,但機理和表現形式可能不同,靜態拉伸是最典型和標準化的測試條件)。
影響老化速率與形式的關鍵因素:
材料化學結構: 雙鍵密度是主要因素,密度越高(如天然橡膠),越易受臭氧攻擊。飽和橡膠(如EPDM)或含有化學抗臭氧劑的橡膠則耐性較好。
臭氧濃度: 濃度越高,分子攻擊和鏈斷裂的速率越快。
環境溫度: 升高溫度顯著加快所有化學反應速率,包括臭氧攻擊和后續反應。
材料所受應力/應變: 存在一個臨界應變值,超過此值龜裂才會產生和發展。應變水平影響裂紋擴展速度。
環境濕度: 可能參與某些副反應(如兩性離子與水反應),間接影響老化產物和速率。
臭氧老化試驗箱正是通過精確控制臭氧濃度、溫度等核心參數,在實驗室加速重現這一從分子攻擊到宏觀性能劣化(尤其是龜裂)的復雜過程。深入研究臭氧老化機理有助于制定有效的材料防護策略。廣東德瑞檢測設備有限公司可為相關材料耐候性驗證提供設備支持。