案例研究

了解臭氧和橡胶老化之间的联系

臭氧- - 560 x216恶化

工程师在设计橡胶时首先要考虑的是臭氧的影响。必须要问的问题是:橡胶应该暴露多少?橡胶产品的预期寿命是多少?

臭氧对橡胶有什么影响?一种常见的影响包括开裂沿暴露,拉伸,或压力脸-这有时被称为干燥腐烂。

臭氧随处可见。即使是“正常”空气的臭氧含量也能达到0.01 ppm。电力设备或照明的增加会使ppm水平进一步提高。

不同的橡胶聚合物对臭氧的抗性不同,例如,饱和程度较低的橡胶聚合物对臭氧的影响更大。不饱和是指聚合物结构中双键和三键的数量,这些双键和三键容易被臭氧产生的自由基破坏。

材料的电阻将决定其应用范围,如车门密封和挡风雨条。这些通常是由三元乙丙橡胶制成的,它在臭氧中非常稳定,可以持续很长时间。

在小的方面,即使是在石油或燃料相关的应用中使用的密封,也需要对臭氧有一定的抵抗力,以防止生产后仓库储存的变质。

幸运的是,有几种不同的标准测试方法可以帮助区分特定橡胶在臭氧下的行为,如ASTM D1171。具体来说,ASTM D1171是橡胶老化的标准测试方法——室外或室内表面臭氧破裂(三角形试样)。此方法的优点是可以根据预先确定的评级对其进行测试,从而创建通过/失败条件。该方法还可以用来跟踪材料中裂纹的生长速度,以了解其恶化的速度。

这篇文章是基于chamber方法的。苹果橡胶采用桅杆/梯形700-10LTA臭氧测试室。这是一个简单的密封室,有一个连接的臭氧发生器,由臭氧仪调节。该测试使用一个由所需材料制成的三角形试样,该三角形的底边为0.75英寸,半径为0.065英寸,距离三角形的底边为0.5英寸。标本的总长度为10英寸。然后,通过用金属丝固定这些部件,并将它们套在一个两英寸的心轴上,使其处于一个紧张的位置。

橡胶臭氧测试

在测试前安装试样

试验准备工作允许安装的标本在实验室环境的室温条件下保存70-72小时,然后将其移至臭氧室,在40°C条件下再保存70-72小时,不产生臭氧。预处理允许蜡华到表面,这保护橡胶,如果橡胶配方的一部分。

作为臭氧测试一部分的预处理橡胶样品
室内标本暴露在臭氧下

标准试验暴露在臭氧浓度为50±5 pphm的环境中72小时。在此期间之后,试件被移除,并根据a.) 2倍放大下的开裂量,b.)与规范中给定的图的比较,给出一个评级。在24小时和48小时内摘除标本,并对这些时间段进行评级,这种情况也很常见。

以下是72小时后这些材料的三个例子。该材料为乙丙橡胶(EPDM)、硅酮和HNBR材料。这些材料往往做得很好,并有良好的评级为0时,比较规格方面的臭氧降解。

三元乙丙橡胶

硅胶

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从上往下依次为:三元乙丙橡胶、硅橡胶、HNBR橡胶

最后的测试样品是一种丁腈,它不是很耐臭氧,这一点可以从整个测试样品的应变部分不断增长的裂缝中得到证明。这个样本的比较评级为3,这是规范所能给出的最糟糕的评级。人们很快就会明白,即使丁腈橡胶(buna-N)很容易获得,它也可能不是最好的选择。

我们经常看到的一个设计失败的例子是医疗设备。在最初的测试中,这些部件可以正常工作。然而,在现场测试中,可能会出现故障,因为o形环暴露在臭氧中,臭氧会导致一定程度的变质,从而导致故障。有时,设计工程师甚至可以看到这个过程,即使他们只是让医疗设备在他们的办公桌上停留很长一段时间。

腈

丁腈橡胶(丁腈橡胶)

有时,一些已知的材料是非常耐臭氧(如乙丙烯),一些产品开发人员也选择增加暴露时间,以遵循后一部分的测试方法。在这种情况下,暴露在臭氧室的时间增加到六周,每两周抽出试样,检查开裂的迹象。

另一个扩展曝光应用由保险商实验室(UL)执行。此应用程序使用的测试方法称为UL 157,用于列出用于大气臭氧和生成臭氧的化合物。安装的标本应在90-110 MPa的臭氧分压下工作70小时,并在40±2°C(104±3.6°F)的温度下用于覆盖大气臭氧;臭氧分压为10,000 - 15,000 mPa,持续时间为70小时,温度为40±2°C(104±3.6°F)。苹果橡胶有两种化合物,14SL7ML和35SL5ML, UL列出了这两种化合物的最终用途。这两种化合物都是硅酮聚合物。

一些开发人员在这种测试方法中使用的最后一种方法是户外暴露,而不是控制室。用这种方法,零件是安装,使他们暴露在一个45°角从地面向南。这种方法的优点是可以实现对风化的实时暴露。

然而,同样的实时曝光也可能是一个缺点。在设计一个部件时,等待如此长的时间来观察它何时开始恶化,尤其是使用耐风化/抗臭氧材料时,并不总是可行的。

当橡胶聚合物受到臭氧攻击时,合成物将使用蜡和抗臭氧剂(添加到配方中的化学物质,在它们攻击聚合物主干之前清除臭氧产生的自由基)来保护橡胶。蜡华表面和保护橡胶减缓臭氧的渗透。这在购买新轮胎时很常见——消费者可以看到新轮胎表面的蜡。这也是为什么购买新自行车或摩托车轮胎的人被建议在正常使用前要慢慢骑以去除蜡并制造适当的道路摩擦。

EPDM、硅酮、HNBR、氯丁橡胶、氟硅橡胶和氟硅橡胶对臭氧的抗性更强。丁腈(Buna-N)、天然橡胶和SBR更容易受到臭氧的侵蚀。设计时应始终考虑橡胶部分是否会暴露在臭氧中——即使是在储存中。一旦暴露,你想让这个部分持续多久?橡胶部分附近会有电机或装置吗?这些都是在选择橡胶之前需要首先考虑的关键设计问题。