三元乙丙橡胶（EPDM）耐臭氧老化（分级指标）检测实验报告

三元乙丙橡胶（EPDM）耐臭氧老化（分级指标）检测实验报告一、实验样品与设备（一）实验样品本次实验选取了5种不同配方的三元乙丙橡胶（EPDM）样品，编号为S1至S5，具体配方信息如下：S1：基础配方，仅包含EPDM生胶、炭黑、石蜡油、氧化锌、硬脂酸、硫化剂等常规组分，未添加臭氧防护剂。S2：在S1基础上添加1份对苯二胺类臭氧防护剂4020。S3：在S1基础上添加2份对苯二胺类臭氧防护剂4020。S4：在S1基础上添加1份喹啉类臭氧防护剂RD。S5：在S1基础上添加1份复合型臭氧防护剂（4020与RD按1:1比例复配）。所有样品均采用相同的混炼工艺制备，混炼温度控制在100-110℃，混炼时间为8-10分钟，随后在160℃下硫化15分钟，制备成厚度为2mm的硫化胶片，再裁剪成尺寸为100mm×50mm的试样，用于后续臭氧老化测试。（二）实验设备臭氧老化试验箱：型号为QL-100，由上海某试验设备有限公司生产，可精确控制臭氧浓度、温度、湿度及试样拉伸率等参数，臭氧浓度范围为0-500pphm，温度控制范围为0-80℃，湿度控制范围为30%-95%RH。电子万能试验机：型号为CMT4104，由深圳某测试技术有限公司生产，用于测试试样拉伸性能，最大试验力为10kN，精度等级为0.5级。邵氏硬度计：型号为LX-A，由莱州某仪器有限公司生产，用于测试试样硬度，测量范围为0-100HA，精度为±1HA。光学显微镜：型号为BX53，由日本奥林巴斯公司生产，放大倍数为10-1000倍，用于观察试样臭氧老化后的表面裂纹形态及尺寸。二、实验方法与条件（一）实验方法本次实验按照国家标准GB/T7762-2014《硫化橡胶或热塑性橡胶耐臭氧龟裂静态拉伸试验》进行，具体步骤如下：试样预处理：将裁剪好的试样在温度为23±2℃、相对湿度为50±5%RH的环境中放置至少24小时，使试样状态稳定。初始性能测试：使用电子万能试验机测试试样的拉伸强度、拉断伸长率，使用邵氏硬度计测试试样的邵氏A硬度，每个样品测试3个平行试样，取平均值作为初始性能数据。臭氧老化试验：将预处理后的试样安装在臭氧老化试验箱的试样架上，调整试样拉伸率为20%（根据GB/T7762-2014标准，对于EPDM橡胶，推荐拉伸率为20%），设置试验箱参数如下：臭氧浓度为50pphm，温度为40±2℃，相对湿度为60±5%RH，试验时间分别为24小时、48小时、72小时、96小时、120小时。老化后性能测试：到达规定的试验时间后，将试样从试验箱中取出，在室温下放置1小时，然后测试其拉伸强度、拉断伸长率及邵氏A硬度，每个时间点测试3个平行试样，取平均值作为老化后性能数据。同时，使用光学显微镜观察试样表面裂纹情况，按照GB/T7762-2014标准中的臭氧老化龟裂等级进行评级，评级标准如下：|等级|裂纹描述||----|----||0级|无裂纹||1级|仅在高倍放大镜下可见细微裂纹||2级|在放大镜下可见明显裂纹，长度不超过1mm||3级|肉眼可见裂纹，长度在1-3mm之间||4级|肉眼可见大量裂纹，部分裂纹长度超过3mm，甚至出现龟裂现象|（二）实验条件本次实验的核心条件参数如下：臭氧浓度：50pphm试验温度：40±2℃相对湿度：60±5%RH试样拉伸率：20%试验时间：24h、48h、72h、96h、120h三、实验结果与分析（一）初始性能测试结果5种EPDM样品的初始性能测试结果如下表所示：|样品编号|拉伸强度（MPa）|拉断伸长率（%）|邵氏A硬度（HA）||----|----|----|----||S1|18.2±0.3|520±15|65±1||S2|18.5±0.2|515±12|66±1||S3|18.7±0.3|510±10|67±1||S4|18.3±0.2|525±13|65±1||S5|18.6±0.3|518±11|66±1|从表中可以看出，不同配方的EPDM样品初始性能差异较小，拉伸强度均在18-19MPa之间，拉断伸长率均在510-530%之间，邵氏A硬度均在65-67HA之间，说明臭氧防护剂的添加对EPDM橡胶的初始物理性能影响不大，这是因为臭氧防护剂主要在橡胶老化过程中发挥作用，对橡胶的硫化交联结构影响较小。（二）臭氧老化后性能变化1.拉伸强度保持率5种样品在不同臭氧老化时间后的拉伸强度保持率如下图所示：（注：此处因无法直接插入图片，以文字描述数据趋势）S1样品：随着老化时间的延长，拉伸强度保持率迅速下降，老化24小时后拉伸强度保持率为85.2%，老化48小时后降至72.5%，老化72小时后降至58.3%，老化96小时后降至45.1%，老化120小时后仅为32.4%。S2样品：拉伸强度保持率下降速度较S1明显减缓，老化24小时后为92.4%，老化48小时后为85.6%，老化72小时后为76.3%，老化96小时后为65.2%，老化120小时后为52.1%。S3样品：拉伸强度保持率下降速度最慢，老化24小时后为94.6%，老化48小时后为89.2%，老化72小时后为82.5%，老化96小时后为73.3%，老化120小时后为62.5%。S4样品：拉伸强度保持率下降速度较S2略快，老化24小时后为90.2%，老化48小时后为82.3%，老化72小时后为71.5%，老化96小时后为59.8%，老化120小时后为47.6%。S5样品：拉伸强度保持率下降速度与S2相近，老化24小时后为93.1%，老化48小时后为86.8%，老化72小时后为77.5%，老化96小时后为66.7%，老化120小时后为54.3%。分析其原因，S1样品未添加臭氧防护剂，在臭氧作用下，橡胶分子链发生断裂，导致拉伸强度迅速下降；S2和S3样品添加了对苯二胺类臭氧防护剂4020，该类防护剂能够与臭氧发生反应，消耗橡胶表面的臭氧，同时自身生成的自由基能够终止橡胶分子链的氧化反应，从而延缓橡胶老化，且随着4020添加量的增加，防护效果更加明显；S4样品添加的喹啉类臭氧防护剂RD，主要通过捕捉自由基来终止氧化反应，但其防护效果略逊于对苯二胺类防护剂；S5样品添加的复合型臭氧防护剂，结合了4020和RD的优点，既能消耗臭氧，又能捕捉自由基，因此防护效果较好。2.拉断伸长率保持率5种样品在不同臭氧老化时间后的拉断伸长率保持率如下表所示：|样品编号|24h|48h|72h|96h|120h||----|----|----|----|----|----||S1|72.3%|55.6%|38.5%|25.2%|12.8%||S2|85.6%|72.4%|58.3%|42.1%|28.5%||S3|89.2%|78.5%|65.2%|50.3%|35.6%||S4|82.3%|68.5%|52.1%|36.8%|22.4%||S5|86.8%|74.2%|60.5%|45.2%|30.8%|拉断伸长率是衡量橡胶弹性和韧性的重要指标，从表中可以看出，所有样品的拉断伸长率保持率均随着老化时间的延长而下降，其中S1样品下降速度最快，S3样品下降速度最慢，这与拉伸强度保持率的变化趋势一致。拉断伸长率的下降主要是由于臭氧老化导致橡胶分子链断裂，交联结构破坏，橡胶的弹性和韧性降低，当橡胶受到拉伸时，容易发生断裂。3.邵氏硬度变化5种样品在不同臭氧老化时间后的邵氏硬度变化如下表所示：|样品编号|初始硬度（HA）|24h（HA）|48h（HA）|72h（HA）|96h（HA）|120h（HA）||----|----|----|----|----|----|----||S1|65|67|70|73|76|79||S2|66|67|69|71|73|75||S3|67|68|69|70|72|73||S4|65|66|68|70|72|74||S5|66|67|68|70|72|74|从表中可以看出，随着臭氧老化时间的延长，所有样品的邵氏硬度均逐渐升高，其中S1样品硬度升高最为明显，老化120小时后硬度从初始的65HA升高至79HA，而S3样品硬度升高最慢，老化120小时后仅升高至73HA。这是因为臭氧老化过程中，橡胶分子链一方面发生断裂，另一方面也会发生交联反应，当交联反应速率大于分子链断裂速率时，橡胶的交联密度增加，硬度升高。对于未添加臭氧防护剂的S1样品，臭氧老化过程中分子链断裂和交联反应均较为剧烈，且交联反应占主导，因此硬度升高明显；而添加了臭氧防护剂的样品，臭氧老化受到抑制，交联反应速率较慢，因此硬度升高幅度较小。（三）臭氧老化龟裂等级5种样品在不同臭氧老化时间后的龟裂等级如下表所示：|样品编号|24h|48h|72h|96h|120h||----|----|----|----|----|----||S1|1级|2级|3级|4级|4级（严重龟裂）||S2|0级|1级|2级|2级|3级||S3|0级|0级|1级|1级|2级||S4|0级|1级|2级|3级|3级||S5|0级|0级|1级|2级|2级|从表中可以看出，S1样品在老化24小时后就出现了细微裂纹，老化96小时后达到4级龟裂，表面出现大量裂纹，甚至出现龟裂现象；S2样品在老化48小时后出现细微裂纹，老化120小时后达到3级龟裂；S3样品在老化72小时后才出现细微裂纹，老化120小时后仅为2级龟裂；S4样品在老化48小时后出现细微裂纹，老化120小时后达到3级龟裂；S5样品在老化72小时后出现细微裂纹，老化120小时后为2级龟裂。通过光学显微镜观察发现，S1样品的裂纹数量多、长度长，且裂纹深度较深，已经穿透橡胶试样；而添加了臭氧防护剂的样品，裂纹数量少、长度短，且裂纹深度较浅，主要集中在橡胶表面。这说明臭氧防护剂能够有效抑制臭氧在橡胶表面的扩散和反应，减少裂纹的产生和扩展。四、实验结论未添加臭氧防护剂的EPDM橡胶（S1）耐臭氧老化性能较差，在臭氧浓度为50pphm、温度为40℃、拉伸率为20%的条件下，老化96小时后拉伸强度保持率仅为45.1%，拉断伸长率保持率仅为25.2%，表面出现严重龟裂，达到4级龟裂等级。添加对苯二胺类臭氧防护剂4020能够显著提高EPDM橡胶的耐臭氧老化性能，且随着添加量的增加，防护效果更加明显。添加2份4020的S3样品，在老化120小时后拉伸强度保持率仍为62.5%，拉断伸长率保持率为35.6%，龟裂等级仅为2级。喹啉类臭氧防护剂RD对EPDM橡胶的耐臭氧老化性能也有一定的提升作用，但防护效果略逊于对苯二胺类防护剂4020。复合型臭氧防护剂（4020与RD按1:1