橡胶热氧老化动力学测试装置及测试热氧吸收曲线的方法

摘要

本发明涉及一种橡胶热氧老化动力学测试装置及测试热氧吸收曲线的方法，测试装置包括测试台、抽真空给氧系统、温控系统、补氧系统、自动记录系统，其中所述测试台为一体化结构，测试台内部对称设置测试腔，测试台中心和边缘位置分别设置中心测温传感器和边缘测温传感器，测试台外围依次设置加热带和保温层；所述测试腔密封端设置压力传感器，测试腔与抽真空给氧系统和补氧系统分别相连通，加热带与温控系统相连接，补氧系统与自动记录系统连接。利用本发明的装置能够准确、快速、批量测试橡胶的热氧化性能。

说明书

技术领域

本发明是涉及一种高温热氧吸收测试装置及方法，特别涉及测量橡胶、高分子聚合物等 有机固体材料的橡胶热氧老化动力学测试装置和方法。

背景技术

橡胶或橡胶制品在贮存或使用过程中，因同时受到热和空气中氧的作用而发生老化的现 象称为热氧老化。热氧老化是各种橡胶及其制品每时每刻都在发生的老化，是造成橡胶损坏 的主要原因。橡胶的热氧老化是一种自由基链式自催化氧化反应，在此反应过程中，橡胶的 结构会改变，其性能也会产生相应的变化。橡胶在200℃以下发生热氧老化，氧是引起老化 的主要因素，热只起到活化氧化、加快氧化速度的作用。但在200℃以上的高温下，仅靠热 能的作用就足以使橡胶大分子链发生降解，温度越高，热降解越占优势，热降解成了橡胶破 坏的主要原因。无论是热氧化还是热降解都是无法杜绝的，但可设法延缓它们的发生，使橡 胶制品最大限度地发挥其使用价值。为此应当了解橡胶发生氧化和发生热降解的机理及其影 响因素。

臭氧是导致橡胶在大气中发生老化的另一个重要因素。臭氧比氧更活泼，因而它对橡胶 尤其是不饱和橡胶的侵袭比氧严重很多。大气中的臭氧是由氧分子吸收太阳光中的短波紫外 光后，分解出的氧原子重新与氧分子结合而成的。另外，在紫外光集中的场所、放电场所以 及电动机附近，尤其是产生电火花的地方都会产生臭氧。通常大气中的臭氧浓度是0～5×10^-8。 不饱和橡胶极易发生臭氧化及其臭氧化后的外观特征，与热氧老化不同，一是橡胶的臭氧化 只在臭氧所接触的表面层进行，整个臭氧化过程是由表及里的过程；二是橡胶与臭氧反应生 成一层银白色硬膜(约10nm厚)，在静态条件下此膜能阻止臭氧与橡胶深层接触，但在动态应 变条件下或在静态拉伸状态下当橡胶的伸长或拉伸应力超过它的临界伸长或临界应力时，这 层膜会产生龟裂，使臭氧得以与新的橡胶表面接触，继续发生臭氧化反应并使裂纹增长，另 外裂纹出现后由于基部有应力集中，所以更容易加深裂纹进而形成裂口。

目前，国内外还没有一种标准定量化测试橡胶热氧老化和臭氧老化的装置，也没有统一 的表征橡胶抗热氧化性能的指标。

发明内容

为了解决现有技术中没有标准定量化测试橡胶热氧老化和臭氧老化的装置，也没有统一 的表征橡胶抗热氧化性能的指标的问题，本发明创新性发明了一种橡胶热氧老化动力学测试 装置及测试方法，该装置可模拟实际的使用环境，产生恒定的温度环境和固定的氧气压力， 能够测得不同配方的橡胶试样的氧化反应诱导期和氧化反应速度，从而比较橡胶氧化反应的 程度，进而判断橡胶的性能。

本发明的技术方案为：

一种橡胶热氧老化动力学测试装置，包括测试台1、抽真空给氧系统7、温控系统8、补 氧系统9、自动记录系统10，其中所述测试台1为一体化结构，测试台内部对称设置测试腔 2，测试台1中心和边缘位置分别设置中心测温传感器6和边缘测温传感器6’，测试台1外围 依次设置加热带3和保温层5；所述测试腔2密封端设置压力传感器，测试腔2与抽真空给 氧系统7和补氧系统9分别相连通，加热带3与温控系统8相连接，补氧系统9与白动记录 系统10连接。

在所述测试台1上对称设置至少4个测试腔，每个测试腔内能够直接放置待测试样品或 放置装有待测样品的容器。所述抽真空给氧系统7包括真空泵、氧气储存装置和气体控制阀， 由气体控制阀来控制真空泵和氧气储存装置与测试腔2的连通。

所述温控系统8包括加热带3、温度检测装置和加热控制装置，其中，温度检测装置与 中心测温传感器6和边缘测温传感器6’分别连接，加热控制装置与温度检测装置连接并控制 加热带3。所述补氧系统9包括补充氧气装置、补氧控制装置和氧压检测装置，其中，氧压 检测装置与压力传感器连接，氧压检测装置与补氧控制装置连接，并根据氧压检测结果适时 开启或关闭补充氧气装置。所述自动记录系统10与补充氧气装置连接，适时记录氧气补充量。

本发明还涉及一种利用上述橡胶热氧老化动力学测试装置测试橡胶热氧吸收曲线的方法， 其操作步骤如下：

(1)启动温控系统，加热测试腔到指定温度；

(2)将待测试试样编号后分别放入测试腔中，关闭测试腔；

(3)启动抽真空给氧系统，先对测试腔分别进行抽真空；

(4)开启气体控制阀向测试腔中充入氧气；

(5)由补氧系统根据压力传感器的压力值自动给测试腔补充氧气；

(6)自动记录系统适时记录补充氧气量，并输出热氧化曲线。

进一步，在步骤(3)中测试腔内压力低于10Pa时，停止抽真空；测试腔加热温度范围为 50-200℃。步骤(4)中充入氧气压力为1-2bar。

进一步，步骤(4)中可以充入含有少量臭氧的氧气。

本发明的测试装置和方法所产生的有益效果为：

(1)本装置能够在测试腔内产生恒定的温度环境和固定的氧气压力，这为模拟被测试样 品的实际环境提供了保证，提高了试验的准确性和客观性。

(2)应用本发明装置能够获得试样对氧气的吸收量和氧化动力学曲线，根据记录的反应 曲线可求得氧化反应诱导期和氧化反应速度，从而比较橡胶氧化反应的程度。用以研究不同 类型生胶或其他某些高聚物、不同抗氧剂以及不同配方硫化胶的氧化性能。

(3)本发明可以同时设置多个测试腔，并能够测试多个样品，多个传感器的设置能准确 保证测试腔的温度和压力的准确。利用本发明的装置能够准确、快速、批量测试橡胶的热氧 化性能，大大提高了试验效率和试验结果的准确性。

值得一提的是，本发明的装置及测试方法除了能用于测试橡胶热氧化性能，之外还能用 于测试某些高分子聚合物或其它有机固体材料的热氧化性能。

附图说明

图1橡胶热氧老化动力学测试装置结构简图

图2测试台结构图

图3测试橡胶热氧吸收曲线的方法

图4本发明的装置实际使用性能实验一的热氧吸收曲线

图5本发明的装置实际使用性能实验二的热氧吸收曲线

1测试台，2测试腔，3加热带，5保温层，6中心测温点，6’边缘测温点，7抽真空给氧 系统、8温控系统、9补氧系统、10自动记录系统

具体实施方式

实施例

实施例1

橡胶热氧老化动力学测试装置，包括测试台1、抽真空给氧系统7、温控系统8、补氧 系统9、自动记录系统10，其中所述测试台1为一体化结构，测试台内部对称设置测试腔2， 测试台1中心和边缘位置分别设置中心测温传感器6和边缘测温传感器6’，测试台1外围依 次设置加热带3和保温层5；所述测试腔2密封端设置压力传感器，测试腔2与抽真空给氧 系统7和补氧系统9分别相连通，加热带3与温控系统8相连接，补氧系统9与自动记录系 统10连接。在所述测试台1上对称设置6个测试腔，每个测试腔内能够直接放置待测试样品 或放置装有待测样品的容器。所述抽真空给氧系统7包括真空泵、氧气储存装置和气体控制 阀，由气体控制阀来控制真空泵和氧气储存装置与测试腔2的连通。所述温控系统8包括加 热带3、温度检测装置和加热控制装置，其中，温度检测装置与中心测温传感器6和边缘测 温传感器6’分别连接，加热控制装置与温度检测装置连接并控制加热带3。所述补氧系统9 包括补充氧气装置、补氧控制装置和氧压检测装置，其中，氧压检测装置与压力传感器连接， 氧压检测装置与补氧控制装置连接，并根据氧压检测结果适时开启或关闭补充氧气装置。所 述自动记录系统10与补充氧气装置连接，适时记录氧气补充量。

实施例2

启动温控系统，加热测试腔，加热至150℃时停止加热；将待测试试样编号后分别放入 测试腔中，关闭测试腔；启动抽真空给氧系统，先对测试腔分别进行抽真空，测试腔内压力 低于10pa时，停止抽真空，开启气体控制阀向测试腔中充入1bar氧气；由补氧系统根据压 力传感器的压力值自动给测试腔补充氧气；由自动记录系统适时记录补充氧气量，试验结束 后输出热氧化曲线。

实施例3

启动温控系统，加热测试腔，加热至200℃时停止加热；将待测试试样编号后分别放入 测试腔中，关闭测试腔；启动抽真空给氧系统，先对测试腔分别进行抽真空，测试腔内压力 低于10pa时，停止抽真空，之后开启气体控制阀向测试腔中充入1bar氧气；由补氧系统根 据压力传感器的压力值自动给测试腔补充氧气；由自动记录系统适时记录补充氧气量，试验 结束后输出热氧化曲线。

实施例4

启动温控系统，加热测试腔，加热至50℃时停止加热；将待测试试样编号后分别放入测 试腔中，关闭测试腔；启动抽真空给氧系统，先对测试腔分别进行抽真空，测试腔内压力低 于10pa时，停止抽真空，之后开启气体控制阀向测试腔中充入混有1‰体积比的臭氧的氧气； 由补氧系统根据压力传感器的压力值自动给测试腔补充氧气；由自动记录系统适时记录补充 氧气量，试验结束后输出热氧化曲线。

实施例5

启动温控系统，加热测试腔，加热至100℃时停止加热；将待测试试样编号后分别放入 测试腔中，关闭测试腔；启动抽真空给氧系统，先对测试腔分别进行抽真空，测试腔内压力 低于10pa时，停止抽真空，之后开启气体控制阀向测试腔中充入混有1‰体积比的臭氧的氧 气；由补氧系统根据压力传感器的压力值自动给测试腔补充氧气；由自动记录系统适时记录 补充氧气量，试验结束后输出热氧化曲线。

本发明中仅以图1-图3为例进行了简要说明，但本发明不限于这些实施例，在不脱离本 发明主旨的范围内，可以进行各种变形，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

装置测量精确度实验

为考察本装置的测量精确度，我们用同一配方的硫化胶制成厚为0.21-0.234mm、宽为 10mm、长为15mm的18个试样，以吸氧诱导时间为指标，在相同反应条件下，分批进行试 验，结果如表1。

试验配方：顺丁胶100；中超耐磨炉黑45；硬脂酸2；促进剂TT3；氧化锌4。

硫化条件：143℃——30分钟

实验条件：氧化反应温度135℃；环境恒温温度25℃

反应氧压：1大气压

表1试验精度结果

试样编号 诱导时间：分 试验编号 诱导时间：分 1 730 10 728 2 702 11 730 3 708 12 712 4 735 13 730 5 737 14 745 6 726 15 735 7 725 16 724 8 710 17 720 9   18 750

试验精度计算如下：

由表1求得算术平均值为测定次数n＝17；

标准误差$\sigma =\pm \sqrt{\frac{{{\mathrm{\Sigma d}}_1}^2}{n-1}}=\pm \sqrt{\frac{2662.53}{16}}=\pm 12.9$

标准误差系数$\mathrm{Ka}=\frac{\sigma }{\bar{X}}=\pm \frac{12.9}{726.3}=1.78\times {10}^{-2}$

由以上计算可知，本装置在橡胶热氧老化试验的测试精度是较高的。

装置实际使用性能实验

为考察本装置的实际使用性能，我们做了以下两组实验分别进行对比。

实验一：

(1)未硫化胶样品的制备

将顺丁胶(BR)溶于甲苯中，制备3％的橡胶溶液，用吸液管将一定重量的溶液滴至已 知重量的玻璃载片上。待溶剂挥发后，再将载有橡胶的玻璃载片置真空干燥器内于室温下抽 真空，直至恒重，求得在载片上的橡胶重量。

(2)加防老剂未硫化胶样品的制备

制备加防老剂未硫化胶样品的方法与上述一致，只是在用制备的橡胶溶液中加入按干胶 计2％的给定防老剂，待防老剂溶剂混合均匀后再用吸液管将含一定量的含防老剂的橡胶溶液 滴至已知重量的载玻片上。

防老剂264——2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚

防老剂2246——2，2’-亚甲基双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)

实验二：

本实验针对顺丁橡胶不同配方硫化胶进行测定试验，试验配方如表2。

防老剂BLE：丙酮和二苯胺高温反应产物

防老剂4020：N-(1，3-二甲基)丁基-N’-苯基对苯二胺

促进剂TMTD：二硫化四甲基秋兰姆

交联剂DCP：过氧化二异丙苯

经过长时间的实际使用试验证明此装置性能良好，可满足橡胶热氧老化试验的要求，具 有操作方便、精度较高、数据可靠的特点。