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      橡膠制品的臭氧老化和防護

      來(lái)源: 時(shí)間:2018-05-07 11:16:59 瀏覽次數:

      臭氧是導致橡膠制品在大氣中發(fā)生老化的一個(gè)重要因素。臭氧比氧更活潑,因而它對橡膠尤其是不飽和橡膠的侵襲比氧嚴重得多。
      大氣中的臭氧(o3)是由氧分子吸收太陽(yáng)光中的短波紫外光后,分解出的
      氧原子重新與氧分子結合而成的。在距地球表面20?30km的髙空中存在一層濃度約為5X10—的臭氧層'隨著(zhù)空氣的垂直流動(dòng),臭氧被帶到地球表面,臭氧的濃度由高空到地面逐漸降低。另外,在紫外光集中的場(chǎng)所、放電場(chǎng)所以及電動(dòng)機附近,尤其是產(chǎn)生電火花的地方都會(huì )產(chǎn)生臭氧。通常大氣中的臭氧濃度是0?5X10-8。地區不同'臭氧的濃度不同;季節不同,臭氧的濃度也不同。雖然地面附近的臭氧濃度很低,但對橡膠造成的危害卻是不容忽視的。
      不飽和橡膠極易發(fā)生臭氧化及其臭氧化后的外觀(guān)特征,與熱氧老化不同,一是橡膠制品的臭氧化只在臭氧所接觸的表面層進(jìn)行,整個(gè)臭氧化過(guò)程是由表及里的過(guò)程;二是橡膠與臭氧反應生成一層銀白色硬膜(約lOnm厚),在靜態(tài)條件下此膜能阻止臭氧與橡膠深層接觸,但在動(dòng)態(tài)應變條件下或在靜態(tài)拉伸狀態(tài)下當橡膠的伸長(cháng)或拉伸應力超過(guò)它的臨界伸長(cháng)或臨界應力時(shí),這層膜會(huì )產(chǎn)生龜裂,使臭氧得以與新的橡膠表面接觸,繼續發(fā)生臭氧化反應并使裂紋增長(cháng),另外裂紋出現后由于基部有應力集中,所以更容易加深裂紋進(jìn)而形成裂口。裂紋的方向垂直于應力方向,一般在小應變下(如5%)只有少量裂紋出現,裂紋方向清晰可辨,當橡膠多方向受力時(shí)則很難辨出裂紋方向。
      一、橡膠臭氧化反應機理
      臭氧與不飽和橡膠的反應機理,可參照下式說(shuō)明。
      當臭氧接觸橡膠制品時(shí),臭氧首先與活潑雙鍵發(fā)生加成反應,生成分子臭氧化物①,分子臭氧化物很不穩定,很快分解生成羰基化物②和兩性離子③。在多數情況下兩性離子與羰基化物會(huì )重新結合成異臭氧化物©,兩性離子也能聚合生成二過(guò)氧化物©或高過(guò)氧化物©,另外當有甲醇等活性溶劑存在時(shí),兩性離子還會(huì )與之反應生成甲氧基過(guò)氧化氫物⑦。
      臭氧與不飽和橡膠的反應活化能很低,反應極易進(jìn)行,反應直到橡膠的雙鍵消耗完畢為止,此時(shí)在橡膠的表面生成一層銀白色的失去彈性的薄膜,只要沒(méi)有外力使薄膜龜裂,橡膠將不再繼續臭氧化。如若對已經(jīng)臭氧化的橡膠拉伸或使其產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變形,生成的臭氧化薄膜將出現龜裂,露出新的橡膠表面又會(huì )與臭氧發(fā)生反應,這使得裂紋繼續增長(cháng)。
      飽和橡膠因不含雙鍵,雖然也能與臭氧發(fā)生反應但反應進(jìn)行得很慢,不易產(chǎn)生龜裂。
      曾有多人對不飽和橡膠臭氧化龜裂的產(chǎn)生和增長(cháng)做過(guò)研究。這些研究者根據自己的實(shí)驗數據,分別提出了龜裂產(chǎn)生及增長(cháng)的機理。例如有人認為龜裂的產(chǎn)生,是由于在應力作用下因臭氧化物分解產(chǎn)生的斷裂分子鏈,相互分離的傾向大于重新結合傾向的結果。而龜裂的增長(cháng)則與臭氧的濃度和橡膠分子鏈的運動(dòng)性有關(guān),當臭氧濃度一定時(shí),分子鏈運動(dòng)性越大,裂紋增長(cháng)就越快。也有人認為臭氧龜裂的產(chǎn)生和增長(cháng)與橡膠臭氧化形成的臭氧化物薄層的物性以及與原橡膠表面層
      的物性不同有關(guān)。例如,Murray認為橡膠的臭氧化過(guò)程是物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程共同發(fā)生的過(guò)程。當橡膠與臭氧接觸時(shí),表面的雙鍵迅速與臭氧反應,大部分生成臭氧化物,使原本柔順的橡膠鏈迅速轉變?yōu)楹性S多臭氧化物環(huán)的僵硬鏈。當有應力施加于橡膠上時(shí),應力將橡膠鏈拉伸展開(kāi),使更多的雙鍵與臭氧接觸,使橡膠鏈含有更多的臭氧化物環(huán),變得更脆。脆化的表面在應力或動(dòng)態(tài)應力作用下就很容易發(fā)生龜裂。
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