耐臭氧龜裂試驗機(jī)觀察裝置的設(shè)計及優(yōu)化

徐云慧， 佟 蘭， 韋邦風(fēng)， 李培培

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(rèn)識到臭氧會導(dǎo)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(dǎo)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(fā)生了變化[1-2]，人們開始關(guān)注臭氧對橡膠的影響，特別是近幾年來，隨著汽車工業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，汽車尾氣排放增加，導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)檢監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布實施了《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐臭氧龜裂靜態(tài)拉伸試驗》(ISO 1431-1)，臭氧老化試驗試驗機(jī)均依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，臭氧老化試驗也是依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗[4]。

硫化橡膠或熱塑性橡膠在靜態(tài)拉伸應(yīng)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(yù)定時間對試樣龜裂情況進(jìn)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(guī)定的時間和規(guī)定的應(yīng)變暴露后，檢查是否出現(xiàn)龜裂，如果需要可以測定龜裂程度；B. 在任意規(guī)定的拉伸應(yīng)變下，測定最早出現(xiàn)龜裂時間；C. 對任意規(guī)定的暴露時間，測定臨界應(yīng)變(即將橡膠在給定的溫度下暴露于含規(guī)定臭氧濃度的空氣中，在規(guī)定暴露時間后，不出現(xiàn)臭氧龜裂的最大拉伸應(yīng)變)[5]。

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

要說明一種材料耐臭氧性能的標(biāo)準(zhǔn)首先是不出現(xiàn)裂紋。因此，試樣在規(guī)定時間下暴露，如果其臨界應(yīng)變較大或其出現(xiàn)龜裂之前的時間較長，則其耐臭氧性能較好。

然而，當(dāng)橡膠在制定的變形范圍內(nèi)其臭氧龜裂的大小均低于允許極限值，則應(yīng)該改用另一種判別標(biāo)準(zhǔn)。此判別標(biāo)準(zhǔn)是以性能標(biāo)準(zhǔn)對比為根據(jù)，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(rèn)為該種硫化橡膠的耐臭氧老化性能優(yōu)于另一種。當(dāng)試樣表面出現(xiàn)肉眼可見的龜裂時，就應(yīng)該立即記錄下來，以便測定應(yīng)變和臭氧龜裂嚴(yán)重程度之間的關(guān)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(xiàn)裂紋的最早時間、裂紋的大小、形狀和龜裂的嚴(yán)重程度是至關(guān)重要的[9]。耐臭氧龜裂試驗機(jī)及時模擬和強(qiáng)化大氣中的臭氧條件，研究臭氧對橡膠的作用規(guī)律，快速鑒定和評價橡膠抗臭氧老化性能與抗臭氧劑防護(hù)效能的方法。但經(jīng)過臭氧老化試驗和對臭氧老化機(jī)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的耐臭氧龜裂試驗機(jī)觀察裝置均存在許多不足之處。

2 現(xiàn)有觀察裝置的不足

在使用耐臭氧龜裂試驗機(jī)進(jìn)行臭氧老化試驗時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的臭氧老化機(jī)在不停機(jī)狀態(tài)下(若停機(jī)觀察，會影響臭氧老化結(jié)果，因為臭氧老化檢測為連續(xù)性檢測)觀察臭氧老化結(jié)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(zhuǎn)盤架遮掩住，光線很弱，根本看不清試樣龜裂情況，也不能準(zhǔn)確判斷臭氧老化程度；

(2) 為保護(hù)試驗老化箱門口頂部的燈泡，在門口頂部裝了一保護(hù)蓋，但由于有這個保護(hù)蓋的存在，在試樣轉(zhuǎn)盤架裝卸時帶來許多不便，不便于轉(zhuǎn)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(nèi)光線較弱，根本看不清試樣龜裂情況。

(4) 現(xiàn)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(cè)的龜裂情況，不能準(zhǔn)確地、全面地判斷臭氧老化情況，對試驗帶來相當(dāng)大的誤差。

3 觀察裝置的優(yōu)化

經(jīng)過調(diào)研分析，從觀察燈、觀察鏡、反光鏡三個部分進(jìn)行優(yōu)化，解決了不停機(jī)就能全面準(zhǔn)確觀察臭氧老化試片老化裂口個數(shù)、深度及寬度[7]，具體總結(jié)闡述如下。

3.1 觀察燈的優(yōu)化

經(jīng)過分析可以看出,原來的觀察燈及觀察保護(hù)裝置設(shè)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(jìn)行優(yōu)化[10]。

(1) 可彎曲桿。在耐臭氧龜裂試驗機(jī)門軸一邊安裝可彎曲桿1個，可彎曲桿內(nèi)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(shè)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?？蓮澢鷹U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(jìn)行固定，固定位置為距老化箱門口箱體兩側(cè)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(jié)束可將觀察燈彎曲在老化箱門口箱體兩側(cè)，緊貼箱壁，為保護(hù)觀察燈，也可在老化箱門口箱體兩側(cè)做一凹槽，不用時放在凹槽內(nèi)或加一防護(hù)裝置[14]。

3.2 觀察鏡的優(yōu)化

該裝置可設(shè)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(yīng)根據(jù)放大倍距的大小來定，安裝在臭氧老化機(jī)門外層觀察玻璃上，配合位置用密封膠粘合；臭氧老化機(jī)門內(nèi)層仍為原平面玻璃。而且,觀察鏡還可以使用放大倍數(shù)較大的放大鏡。

3.3 反光鏡的設(shè)計

為了在能看清楚試樣兩側(cè)及背面的龜裂情況，在耐臭氧龜裂試驗機(jī)轉(zhuǎn)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(qiáng)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(shè)計和優(yōu)化[13]

4.1 耐臭氧龜裂試驗機(jī)觀察裝置設(shè)計

優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖1、2[14]所示。

圖1 耐臭氧龜裂試驗機(jī)觀察裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 耐臭氧龜裂試驗機(jī)觀察裝置結(jié)構(gòu)視圖

4.2 耐臭氧龜裂試驗機(jī)觀察裝置

觀察裝置平面圖見圖3。

圖3 耐臭氧龜裂試驗機(jī)觀察裝置平面圖

5 效 果

經(jīng)過對臭氧老化機(jī)觀察裝置進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，達(dá)到了以下效果[14]：

(1) 可以解決在不停機(jī)情況下，清晰地觀察臭氧老化結(jié)果，這樣即不影響實驗結(jié)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(cè)部的老化結(jié)果；

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

6 結(jié) 語

通過對臭氧老化機(jī)觀察裝置進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，不僅克服解決了操作不便的問題，提高了生產(chǎn)效率；也在很大程度上解決了不停機(jī)狀態(tài)下對臭氧試樣龜裂程度的觀察問題，對耐臭氧龜裂試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，也為“硫化橡膠或熱塑性橡膠耐臭氧龜裂靜態(tài)拉伸試驗”的進(jìn)行提供了充足的條件，保證了該試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性[15-16]。

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