深入理解臭氧老化機制：試驗箱如何模擬加速材料老化?

一、背景
地面大氣中的臭氧會與含不飽和鍵的高分子材料反應(yīng)，使橡膠、涂層或塑料出現(xiàn)表面裂紋、硬化或失光。為了在短時間內(nèi)驗證材料耐臭氧性能，實驗室通常使用臭氧老化試驗箱，通過提高臭氧濃度、控制溫濕度并施加機械應(yīng)變，把自然老化過程壓縮到幾天或幾周。

二、臭氧老化的化學(xué)路徑

1. 臭氧接觸：臭氧分子首先吸附在材料表面。

2. 親電加成：臭氧與碳-碳雙鍵形成不穩(wěn)定的初級臭氧化物。

3. 裂解與自由基鏈反應(yīng)：臭氧化物分解產(chǎn)生醛、酮及自由基，自由基繼續(xù)攻擊聚合物主鏈，造成斷鏈或交聯(lián)。

4. 宏觀表現(xiàn)：微觀裂紋擴展為可見龜裂，力學(xué)性能下降或表面光澤喪失。

三、試驗箱如何“加速”

1. 提高臭氧分壓
   試驗箱將臭氧濃度提升到遠高于自然環(huán)境水平，使單位時間內(nèi)撞擊材料表面的臭氧分子數(shù)目顯著增加。

2. 控制溫度
   適當(dāng)升溫可加快臭氧擴散和反應(yīng)速率，但溫度上限一般設(shè)在材料實際使用溫度附近，以減少熱氧老化的干擾。

3. 調(diào)控濕度
   水分會改變臭氧在材料表層的溶解與擴散行為；試驗箱通過加濕單元模擬濕熱或干燥工況。

4. 施加機械應(yīng)變
   裂紋通常在拉伸應(yīng)力集中處萌生。靜態(tài)拉伸或動態(tài)往復(fù)模式使材料保持一定形變，便于觀察和記錄裂紋萌生過程。

四、試驗箱內(nèi)部流程

1. 氣體準(zhǔn)備：過濾后的干燥空氣或氧氣經(jīng)流量閥穩(wěn)壓后進入臭氧發(fā)生器。

2. 臭氧發(fā)生：無聲放電或紫外照射使部分氧分子轉(zhuǎn)化為臭氧。

3. 均勻混合：循環(huán)風(fēng)機將含臭氧的空氣均勻送入工作室，避免死角。

4. 環(huán)境維持：溫濕度傳感器實時反饋，控制器通過加熱、制冷和加濕單元進行閉環(huán)調(diào)節(jié)。

5. 實時監(jiān)測：紫外光度計或電化學(xué)探頭持續(xù)檢測臭氧濃度，超標(biāo)即降低放電功率，不足則提高。

6. 安全排放：試驗結(jié)束后，殘余臭氧通過催化分解器或活性炭吸附，降至安全水平后再開箱。

五、結(jié)果與工程對應(yīng)
試驗記錄裂紋出現(xiàn)時間、裂紋密度或力學(xué)性能保持情況。將這些結(jié)果與戶外暴露或服役數(shù)據(jù)進行比對，可建立經(jīng)驗加速因子，為材料壽命評估或配方改進提供參考。

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