材料臭氧老化機制探析：從微觀反應(yīng)到宏觀失效

更新時間：2025-08-05

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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(xué)反應(yīng)。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(yù)測的基礎(chǔ)。

分子層面的反應(yīng)：

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(jù)Criegee機理，反應(yīng)首先形成不穩(wěn)定的初級臭氧化物，該中間體迅速分解，產(chǎn)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(huán)境中，會進一步與鄰近的聚合物鏈、水分子或其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致主鏈斷裂（裂解）或形成新的化學(xué)結(jié)構(gòu)（如交聯(lián)、含氧基團）。
宏觀龜裂的形成（關(guān)鍵在靜態(tài)應(yīng)變下）：

當材料處于靜態(tài)拉伸狀態(tài)（如密封件安裝后的狀態(tài)）時，分子鏈被拉伸取向。
臭氧優(yōu)先攻擊這些被拉伸、暴露程度高的分子鏈上的雙鍵，直接導(dǎo)致分子鏈斷裂。
鏈斷裂點在垂直于拉伸應(yīng)力的方向上引發(fā)微裂紋。
裂紋頂部形成新的應(yīng)力集中區(qū)域，使該區(qū)域的分子鏈進一步拉伸，更易遭受臭氧攻擊，導(dǎo)致裂紋持續(xù)擴展。這種定向的鏈斷裂-裂紋擴展循環(huán)最終形成肉眼可見的、通常垂直于應(yīng)力方向的龜裂。(注：動態(tài)應(yīng)力下也可能發(fā)生臭氧老化，但機理和表現(xiàn)形式可能不同，靜態(tài)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(guān)鍵因素：

材料化學(xué)結(jié)構(gòu)：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(xué)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(huán)境溫度：升高溫度顯著加快所有化學(xué)反應(yīng)速率，包括臭氧攻擊和后續(xù)反應(yīng)。
材料所受應(yīng)力/應(yīng)變：存在一個臨界應(yīng)變值，超過此值龜裂才會產(chǎn)生和發(fā)展。應(yīng)變水平影響裂紋擴展速度。
環(huán)境濕度：可能參與某些副反應(yīng)（如兩性離子與水反應(yīng)），間接影響老化產(chǎn)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(shù)，在實驗室加速重現(xiàn)這一從分子攻擊到宏觀性能劣化（尤其是龜裂）的復(fù)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(shè)備有限公司可為相關(guān)材料耐候性驗證提供設(shè)備支持。