耐臭氧龜裂試驗機觀察裝置的設計及優化

徐云慧， 佟 蘭， 韋邦風， 李培培

(1.徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140； 2.徐州徐輪有限公司，江蘇 徐州 221011)

0 引 言

從1885年人們就開始認識到臭氧會導致橡膠龜裂裂口，但由于地面臭氧濃度比較低，人們對臭氧導致的橡膠老化問題沒有引起足夠的重視，但隨著臭氧層的破壞，空氣中臭氧濃度和分布都發生了變化[1-2]，人們開始關注臭氧對橡膠的影響，特別是近幾年來，隨著汽車工業突飛猛進的發展，汽車尾氣排放增加，導致輪胎胎面表面臭氧濃度提高，加速輪胎胎面的老化裂口，導致輪胎使用壽命下降，臭氧對橡膠的性能影響越來越受到人們的重視,所以對橡膠臭氧老化性能的試驗越來越廣泛[3]。

1 臭氧老化試驗原理

2003年7月1日我國國家質檢監督檢驗檢疫總局發布實施了《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐臭氧龜裂靜態拉伸試驗》(ISO 1431-1)，臭氧老化試驗試驗機均依據該標準進行設計，臭氧老化試驗也是依據該標準進行試驗[4]。

硫化橡膠或熱塑性橡膠在靜態拉伸應變條件下，暴露于含有恒定臭氧濃度和恒溫的試驗箱中按預定時間對試樣龜裂情況進行檢查。在選定的臭氧濃度和試驗溫度條件下評價臭氧龜裂可任選如下A、B、C三種方法。A. 在規定的時間和規定的應變暴露后，檢查是否出現龜裂，如果需要可以測定龜裂程度；B. 在任意規定的拉伸應變下，測定最早出現龜裂時間；C. 對任意規定的暴露時間，測定臨界應變(即將橡膠在給定的溫度下暴露于含規定臭氧濃度的空氣中，在規定暴露時間后，不出現臭氧龜裂的最大拉伸應變)[5]。

拉伸應變條件下橡膠表面出現龜裂，裂紋的形狀和龜裂的嚴重程度根據所受拉伸的大小和性能而變化。一件制品在使用中的應變將從某一點最小值到另一點最大值而變化。當測定耐臭氧性能的時候應考慮在此伸長范圍內的裂紋形狀[6]。

要說明一種材料耐臭氧性能的標準首先是不出現裂紋。因此，試樣在規定時間下暴露，如果其臨界應變較大或其出現龜裂之前的時間較長，則其耐臭氧性能較好。

然而，當橡膠在制定的變形范圍內其臭氧龜裂的大小均低于允許極限值，則應該改用另一種判別標準。此判別標準是以性能標準對比為根據，兩種硫化橡膠在使用中如果其中一種硫化橡膠的臭氧龜裂程度低于另一種，則可以認為該種硫化橡膠的耐臭氧老化性能優于另一種。當試樣表面出現肉眼可見的龜裂時，就應該立即記錄下來，以便測定應變和臭氧龜裂嚴重程度之間的關系[7-8]。

從以上臭氧老化試驗原理分析可以看出若要判別硫化橡膠和熱塑性橡膠耐臭氧性能觀察試片出現裂紋的最早時間、裂紋的大小、形狀和龜裂的嚴重程度是至關重要的[9]。耐臭氧龜裂試驗機及時模擬和強化大氣中的臭氧條件，研究臭氧對橡膠的作用規律，快速鑒定和評價橡膠抗臭氧老化性能與抗臭氧劑防護效能的方法。但經過臭氧老化試驗和對臭氧老化機進行調研，發現現在的耐臭氧龜裂試驗機觀察裝置均存在許多不足之處。

2 現有觀察裝置的不足

在使用耐臭氧龜裂試驗機進行臭氧老化試驗時發現現在的臭氧老化機在不停機狀態下(若停機觀察，會影響臭氧老化結果，因為臭氧老化檢測為連續性檢測)觀察臭氧老化結果,存在以下不足之處[10-11]：

(1) 原來的觀察燈裝在試驗老化箱門口頂部，光線正好被轉盤架遮掩住，光線很弱，根本看不清試樣龜裂情況，也不能準確判斷臭氧老化程度；

(2) 為保護試驗老化箱門口頂部的燈泡，在門口頂部裝了一保護蓋，但由于有這個保護蓋的存在，在試樣轉盤架裝卸時帶來許多不便，不便于轉盤架的取出，給夾持試樣造成麻煩；

(3) 老化箱上觀察裝置為兩塊平面玻璃組成，在觀察時，人的眼睛離觀察的試片距離約150 mm，加上箱內光線較弱，根本看不清試樣龜裂情況。

(4) 現在的觀察裝置只能觀察試樣面對觀察門的這一邊，不能觀察試樣反面和兩側的龜裂情況，不能準確地、全面地判斷臭氧老化情況，對試驗帶來相當大的誤差。

3 觀察裝置的優化

經過調研分析，從觀察燈、觀察鏡、反光鏡三個部分進行優化，解決了不停機就能全面準確觀察臭氧老化試片老化裂口個數、深度及寬度[7]，具體總結闡述如下。

3.1 觀察燈的優化

經過分析可以看出,原來的觀察燈及觀察保護裝置設計不合理，可以從可彎曲桿、雙射燈、“U”型連接架、固定裝置等四個方面進行優化[10]。

(1) 可彎曲桿。在耐臭氧龜裂試驗機門軸一邊安裝可彎曲桿1個，可彎曲桿內層材料為橡膠，外層材料為螺紋狀的金屬外殼，桿長度比“從固定位置到試片之間的直線長度”約長5～10 mm；

(2) 雙射燈。在可彎曲桿一端部設雙射燈，燈為點射燈2個，兩燈之間距離為10～15 mm；

(3) “U”型連接架。可彎曲桿和雙射燈之間通過“U”型連接架連接，材料同可彎曲桿，“U”型寬度同兩燈之間距離。

(4) 固定裝置。固定裝置為在“可彎曲桿”下安裝一三角架，通過三顆螺絲進行固定，固定位置為距老化箱門口箱體兩側距上邊緣或下邊緣10～20 mm處。在試驗時將觀察燈移動到試片位置，便于觀察試片老化情況，試驗結束可將觀察燈彎曲在老化箱門口箱體兩側，緊貼箱壁，為保護觀察燈，也可在老化箱門口箱體兩側做一凹槽，不用時放在凹槽內或加一防護裝置[14]。

3.2 觀察鏡的優化

該裝置可設置為一菲涅爾透鏡，該透鏡為PVC材料制成，形狀為薄圓柱形，直徑50～100 mm，厚度應根據放大倍距的大小來定，安裝在臭氧老化機門外層觀察玻璃上，配合位置用密封膠粘合；臭氧老化機門內層仍為原平面玻璃。而且,觀察鏡還可以使用放大倍數較大的放大鏡。

3.3 反光鏡的設計

為了在能看清楚試樣兩側及背面的龜裂情況，在耐臭氧龜裂試驗機轉盤試片背面安裝反光鏡裝置，反光鏡有平面鏡及固定裝置組成，反光鏡為一平面鏡(鏡周邊可包邊，以防傷手)，長度為30～40 mm，寬度為40～50 mm，厚度約3～5 mm；固定裝置為帶凹槽的強力磁鐵(長度比鏡長5 mm左右，寬度比鏡寬5 mm左右，高度約10～20 mm)，反光鏡也可用三角架固定。

4 觀察裝置設計和優化[13]

4.1 耐臭氧龜裂試驗機觀察裝置設計

優化結構如圖1、2[14]所示。

圖1 耐臭氧龜裂試驗機觀察裝置結構圖

圖2 耐臭氧龜裂試驗機觀察裝置結構視圖

4.2 耐臭氧龜裂試驗機觀察裝置

觀察裝置平面圖見圖3。

圖3 耐臭氧龜裂試驗機觀察裝置平面圖

5 效 果

經過對臭氧老化機觀察裝置進行設計和優化，達到了以下效果[14]：

(1) 可以解決在不停機情況下，清晰地觀察臭氧老化結果，這樣即不影響實驗結果，也可清晰觀察；

(2) 通過試片背面使用反光鏡可清晰地觀察老化試片背面和側部的老化結果；

(3) 通過對原有燈裝置的優化，可以解決在裝卸轉盤架時易碰壞或操作不方便的問題。

6 結 語

通過對臭氧老化機觀察裝置進行設計和優化，不僅克服解決了操作不便的問題，提高了生產效率；也在很大程度上解決了不停機狀態下對臭氧試樣龜裂程度的觀察問題，對耐臭氧龜裂試驗機的結構進行了優化，也為“硫化橡膠或熱塑性橡膠耐臭氧龜裂靜態拉伸試驗”的進行提供了充足的條件，保證了該試驗數據的準確性和全面性[15-16]。

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