脚轮材料的老化研究：紫外线、臭氧、化学介质的影响
2025-11-20 8:15:40
引言
脚轮作为移动设备（如手推车、医疗推床、工业AGV、物流货架等）的核心部件，其性能直接影响设备的操作便捷性、安全性及使用寿命。而脚轮的主体材料（如聚氨酯（PU）、热塑性弹性体（TPE）、橡胶（NR/SBR/EPDM）、塑料（PP/PE）及金属（尼龙包胶轮中的尼龙基体））在长期使用中，常暴露于复杂的外界环境中——户外场景下的阳光直射（含紫外线）、工业区的臭氧污染、仓储或化工场所的化学介质（如酸、碱、油类、溶剂）等。这些环境因素会加速脚轮材料的老化进程，导致其物理机械性能（如硬度、弹性、耐磨性）、外观（如变色、裂纹）及功能（如滚动顺畅性、承载能力）显著下降，最终影响脚轮的可靠性和更换频率。
本文聚焦紫外线、臭氧、化学介质三类典型环境因素，系统分析其对常见脚轮材料的老化作用机制、损伤表现及影响规律，并结合实际应用场景提出针对性防护建议，为中山市飞步脚轮有限公司等企业的材料选型、产品设计及寿命评估提供理论参考。
一、脚轮常用材料的基本特性与老化敏感性
脚轮材料的种类多样，不同材料的分子结构决定了其对环境因素的敏感性差异。以下为几类典型材料的特性：
橡胶类（天然橡胶NR、丁苯橡胶SBR、三元乙丙橡胶EPDM）：以高分子碳链为主，含大量不饱和双键（如NR、SBR）或少量双键（如EPDM），具有高弹性、耐磨性，但化学活性位点多，易与环境介质反应。
聚氨酯（PU）：由多元醇与异氰酸酯聚合而成，分子链含氨基甲酸酯键（—NHCOO—），兼具橡胶的弹性和塑料的强度，但—NH—和—C=O基团对紫外线、水解敏感。
热塑性弹性体（TPE，如苯乙烯类TPS、聚烯烃类TPO）：物理交联结构，耐候性优于橡胶但弱于工程塑料，对臭氧和紫外线的抵抗能力取决于基体成分。
塑料（PP、PE）：非极性高分子，耐化学腐蚀性较好，但对紫外线引发的链断裂敏感（尤其PP）。
金属（尼龙包胶轮中的尼龙6/66）：尼龙本身耐化学性较强，但包胶层（如橡胶或PU）的老化会直接影响整体性能。
上述材料的老化本质是在外界环境因素作用下，分子链发生断裂、交联、氧化或化学基团流失，导致宏观性能劣化。其中，紫外线、臭氧、化学介质是加速老化的三大关键外因。
二、紫外线对脚轮材料的老化影响
（一）作用机制
紫外线（UV，波长290-400nm）是太阳光谱中能量最高的部分（尤其是UV-B 280-320nm和UV-C 200-280nm，后者多被臭氧层吸收，地面主要受UV-A 320-400nm和部分UV-B影响）。其能量足以破坏高分子材料的化学键（如C-C键能约347kJ/mol，C-H键能约413kJ/mol，而UV光子能量可达400-700kJ/mol），具体表现为：
光氧化反应：紫外线激发材料中的氧分子生成活性氧自由基（·OH、·O₂⁻等），攻击高分子链的薄弱位点（如不饱和双键、叔碳原子），引发链断裂或交联。例如，橡胶中的C=C双键与·OH反应生成羰基（C=O），导致链柔性下降；PU中的—NH—和—C=O基团易与氧自由基结合，形成氢过氧化物中间体，进一步分解为小分子。
分子链断裂与交联：短波紫外线直接断裂高分子主链（如PU的氨基甲酸酯键），或促使分子间形成新的交联结构（如橡胶的侧链氧化后交联），前者导致材料变脆，后者增加硬度但降低弹性。
（二）损伤表现
外观变化：材料表面褪色（如PU从亮黄色变为暗褐色）、粉化（橡胶表层脱落细小颗粒）、裂纹（龟裂状微纹，初始出现在应力集中区）。
力学性能下降：拉伸强度、断裂伸长率显著降低（橡胶的断裂伸长率可能从300%降至100%以下），弹性模量增大（材料变硬），耐磨性减弱（PU的磨耗量增加2-3倍）。
功能失效：脚轮滚动时出现异响（因表面硬化不均匀）、转向灵活性下降（橡胶包胶轮的弹性丧失导致缓冲能力减弱）。
（三）典型材料案例
以EPDM橡胶（常用于户外耐候脚轮）和PU（用于轻型工业轮）为例：
EPDM虽因分子链含少量双键且主链饱和，耐紫外线性优于NR/SBR，但长期暴露（如500h氙灯老化试验）后仍会出现硬度上升（+15-20 Shore A）、拉伸强度下降（约20%）；若未添加抗UV剂（如炭黑、受阻胺光稳定剂HA），损伤会更显著。
PU对紫外线极为敏感，尤其是浅色制品（无炭黑遮蔽时），300h UV照射后表面可能出现明显裂纹，磨耗率增加3倍以上，限制了其在户外高光照场景的应用。
三、臭氧对脚轮材料的老化影响
（一）作用机制
臭氧（O₃）是大气中由氧气经紫外线或放电反应生成的强氧化剂（浓度通常为0.01-0.1ppm，工业区或交通繁忙区域可达0.1-1ppm）。其对不饱和橡胶（如NR、SBR）的老化作用尤为显著，机制如下：
双键攻击：臭氧优先与橡胶分子链中的碳-碳双键（C=C）反应，生成臭氧化物（不稳定的环状结构），随后在应力或热的作用下分解为羰基化合物和分子链断裂碎片。例如，NR的分子链含大量双键（约1-2个/10个碳原子），臭氧与其接触后迅速形成裂纹源。
应力开裂：即使微量臭氧（>0.01ppm），当橡胶处于拉伸状态（如脚轮滚动时的动态变形）时，臭氧会优先攻击拉伸区域的分子链，导致微裂纹沿应力方向扩展，最终形成可见的“臭氧龟裂”。
（二）损伤表现
表面裂纹：最典型的特征是橡胶表面出现细密、平行的裂纹（方向与拉伸应力一致），初始仅在局部区域，随时间推移逐渐连成网状。
弹性丧失：裂纹导致橡胶的弹性模量不均匀，滚
动时缓冲性能下降，脚轮颠簸感增强。
密封性破坏（针对轮毂密封件）：若脚轮含橡胶密封圈（如防止灰尘进入轴承），臭氧老化会导致密封圈开裂，进而加速内部轴承的锈蚀。
（三）典型材料案例
NR（天然橡胶）是臭氧敏感性的典型代表——其双键含量高（约80%的不饱和度），即使在低浓度臭氧（0.02ppm）和轻微拉伸（20%应变）下，72h即可出现可见裂纹；SBR（丁苯橡胶）的双键含量略低，但若未添加抗臭氧剂（如石蜡、胺类防老剂），老化速度仍比EPDM快3-5倍。相比之下，EPDM（双键含量<1%）和丁基橡胶（IIR）因饱和或低不饱和结构，对臭氧的抵抗能力显著更强，适合用于工业区或沿海（臭氧浓度较高）场景的脚轮。
四、化学介质对脚轮材料的老化影响
化学介质（如酸、碱、油类、有机溶剂）通过溶解、溶胀、化学反应等方式破坏材料的分子结构，其影响程度取决于介质的化学性质与材料的相容性。
（一）常见化学介质的作用机制
酸/碱（如硫酸、氢氧化钠）：
对橡胶：强酸（pH<2）或强碱（pH>12）会攻击橡胶分子链的极性基团（如羧基、胺基），导致主链水解或交联结构破坏。例如，NR在5%硫酸中浸泡24h后，表面软化、膨胀，拉伸强度下降50%以上；EPDM因耐酸碱性优于NR（分子链含醚键和双烷基结构），但在浓碱（10% NaOH）中长期浸泡仍会出现轻微溶胀。
对塑料/PU：酸性介质可能催化PU的氨基甲酸酯键水解（—NHCOO—+H₂O→—NH₂+CO₂+醇），导致材料变脆；碱性介质对PP/PE等非极性塑料影响较小，但对尼龙（脚轮包胶中的增强层）有显著溶胀作用（尼龙吸水后尺寸稳定性下降）。
油类/有机溶剂（如机油、汽油、酒精）：
非极性油类（如矿物油）：易溶解橡胶中的增塑剂（如石油树脂），导致分子链间作用力减弱，材料软化、膨胀（体积膨胀率可达20-30%），硬度下降。例如，SBR在机油中浸泡7天，拉伸强度降低40%，弹性丧失。
极性溶剂（如丙酮、乙醇）：攻击PU的—NH—和—C=O键，破坏氨基甲酸酯结构，导致材料粉化或分层；对塑料（如PP），低浓度酒精影响较小，但高浓度丙酮可能溶解部分增韧剂。
（二）损伤表现
物理形态变化：溶胀（体积增大）、软化（硬度降低）、收缩（部分溶剂挥发后材料收缩变形）。
力学性能劣化：拉伸强度、耐磨性显著下降（如PU在汽油中浸泡后磨耗量增加5倍以上），承载能力降低（脚轮易变形或破裂）。
功能性失效：化学介质渗透至轮毂轴承区域，加速金属部件锈蚀（如尼龙包胶轮的包胶层破损后，内部钢制轮芯生锈）。
（三）典型材料案例
橡胶类：EPDM是耐化学介质的优选材料（耐酸碱、耐极性油），常用于化工车间脚轮；而NR/SBR仅适用于中性环境，接触酸/油后会快速老化。
PU：耐油性较差（尤其是聚酯型PU），接触矿物油后易水解，而聚醚型PU的耐水解性稍优，但仍需避免长期接触溶剂。
塑料类：PP/PE对弱酸弱碱稳定，但接触汽油等有机溶剂时会溶胀；尼龙（PA6/66）耐油性好但吸湿性强，在潮湿+化学介质复合环境下易变形。
五、综合老化效应与实际应用启示
在实际使用中，脚轮材料往往同时暴露于多种环境因素（如户外脚轮同时受紫外线、臭氧和雨水中的酸碱介质影响），此时老化效应呈现协同或叠加特性。例如：
紫外线与臭氧协同：紫外线预处理会加速橡胶表面氧化，生成更多活性位点，使后续臭氧攻击更易引发裂纹扩展。
化学介质与应力协同：脚轮滚动时的动态应力会加剧化学介质的渗透速率，导致材料内部结构更快破坏。
中山市飞步脚轮有限公司的应用建议
材料选型优化：
户外通用场景：优先选用EPDM橡胶（耐紫外线、臭氧、酸碱）或添加抗UV剂/抗臭氧剂的PU（如黑色PU含炭黑遮蔽紫外线）。
工业化工场景：选择EPDM或氟橡胶（FKM，耐强酸强碱及油类），避免NR/SBR等易老化材料。
高负载场景：采用尼龙包胶轮（尼龙基体耐化学性+包胶层耐磨），但需加强包胶层的抗UV/臭氧保护（如表面涂覆防护漆）。
表面防护处理：
添加防护助剂：在橡胶/PU配方中引入受阻胺光稳定剂（抗UV）、石蜡或胺类防老剂（抗臭氧）、抗氧化剂（抗热氧老化）。
物理防护层：对户外脚轮表面喷涂透明耐磨涂层（如聚氨酯清漆），隔绝紫外线和化学介质的直接接触。
使用与维护指导：
避免长时间暴晒（如户外临时存放时覆盖遮阳布），定期清洁脚轮表面的油污/化学残留（用中性洗涤剂而非强酸强碱溶剂）。
对高频使用的高磨损脚轮（如物流仓库的PU轮），建议每6-12个月检查表面状态，及时更换出现裂纹或硬化的部件。
结论
紫外线、臭氧、化学介质是导致脚轮材料老化的三大关键环境因素，其通过光氧化、臭氧攻击、化学反应等机制破坏材料的分子结构，引发性能劣化。不同材料（如橡胶、PU、塑料）的老化敏感性存在显著差异，企业需根据具体应用场景（户外/室内、接触介质类型）选择适配的材料体系，并通过配方优化、表面防护及合理维护延长脚轮的使用寿命。中山市飞步脚轮有限公司可基于本研究结论，进一步强化材料研发与测试能力，针对客户需求提供更耐候、高可靠的脚轮解决方案，提升产品的市场竞争力与用户满意度。