Гума та мастильні матеріали повинні контактувати між собою у багатьох сферах застосування. Але часто виникають проблеми з тим, що називають «старінням» гуми: погіршенням властивостей каучуку внаслідок взаємодії між гумою та мастилом / базовими маслами.
Це дуже вивчене явище, але зазвичай дослідження не вивчають достатньо глибоко, чому ці два компоненти є несумісними. Нове дослідження, проведене Nynas, досліджувало можливість вимірювання усадки та набухання каучуку за рахунок міграції олії між одним та іншим як відносно простий тест на сумісність між гумою та мастилом. Дослідження було зосереджено на зміні механічних та низькотемпературних властивостей каучуку під час його контакту з низкою мастил та їх базовими маслами. Однак у процесі ми зробили цікаве та важливе відкриття: мігрують не лише олія, а й інші інгредієнти. Вони впливають на різні механічні властивості, а значить, відкриття має важливі наслідки при спробі оптимізації взаємодії каучук / змащення.
Хтось може приготувати відмінну рецептуру для мастила. Тоді хтось інший може зробити чудову рецептуру для гуми. Однак, коли ця велика мастило стикається з цією чудовою гумою, дуже часто гума руйнується в найкоротші терміни. Багато досліджень займалися цим питанням, але ми виявили, що вони недостатньо далеко пізнали основні причини несумісності жиру / гуми.
Взаємодія, про яку ми говоримо, зазвичай називається гумою «старіння». Старіння означає погіршення властивостей, якими каучук повинен відповідати своєму призначенню. Для вивчення цього процесу необхідно враховувати багато параметрів, таких як властивості платоспроможності полімеру, пластифікатори, які використовуються в каучуку, та властивості базового масла. Це було б відносно просто, якби вам довелося провести лише один або два тести, щоб визначити вплив старіння на різні зразки. Теоретично вимірювання набухання і усадки гуми повинно бути достатньо. Якщо припустити, що те, що трапляється, полягає в тому, що базове масло мігрує між гумою і мастилом, хороша сумісність повинна бути показана незначним зменшенням або набуханням або відсутністю набряку. Але життя не завжди таке просте ...
Опис тестів
Була проведена серія випробувань для порівняння сумісності базових масел і мастил з каучуком під час старіння. Для цього використовували чотири різні базові олії, всі з в'язкістю 150 мм2 / с при 40 ° С. Порівняно три нафтенових олії різної платоспроможності та одне парафінове масло.
Причиною використання як мастила, так і базових масел було визначення того, чи потрібно використовувати мастило в тестах на сумісність гуми, чи достатньо провести випробування тільки з олією, щоб отримати остаточні результати.
Для перевірки взаємодій зразки каучуку були повністю занурені в базові олії та мастила. Старіння проводили при трьох різних температурах, 80 ° C, 100 ° C і 120 ° C, тривалість випробування становила один тиждень. Зміни твердості та ваги кожного з зразків каучуку вимірювали протягом періоду дослідження.
Вимірювання твердості проводили методом IRHD, а результати фіксували за шкалою IRHD, яка становить від 0 до 100, де 0 відповідає надзвичайно м'якій гумі. Звичайні типи гуми мають значення IRHD від 30 до 85 градусів.
Вимірювали також міцність на розрив та подовження. Міцність на розрив - це сила, необхідна для розтягування гуми до розриву, розділеної на площу поперечного перерізу досліджуваного зразка. Результати виражаються в МПа. Подовження - це міра здатності гуми до розтягування без руйнування, виміряна як відсоток від початкової довжини.
Для зразків каучуку, які були витримані в базових оліях при 100 ° C, також проводилися вимірювання температури склування, Tg. Всі полімери з часом твердіють до жорсткого (і крихкого) аморфного скла, коли температура знижується до рівня, відомого як температура переходу полімерного скла. Для гуми ця температура вказує на граничну температуру обслуговування.
Результати
Результати показали, що в однакових умовах хлоропреновий каучук (CR) набухав більше, ніж нітрил-бутадієновий каучук (NBR) каучук (рисунки 1 і 2). Насправді каучук NBR демонстрував усадку в більшості випадків. Масла з більшою потужністю розчинника, наприклад, нафтенові олії з високим вмістом ароматичних речовин, створюють більше набухання для гуми CR, але меншу усадку для каучуку NBR, ніж масла з меншою потужністю розчинника, наприклад, слабоароматичні парафінові олії. Таким чином, парафінова олія викликала мінімальний набряк у випадку з гумою CR, але максимальну усадку у випадку з каучуком NBR.
Це цілком логічно при розгляді подоби властивостей платоспроможності масел та каучуків. Взагалі, чим ближче платоспроможність олії до гуми, тим більша кількість олії, яка може потрапити в гуму. Якщо платоспроможність виражається через значення параметрів розчинності Гільдебранда, хлоропреновий каучук та нафтенові олії виявляються придатними набагато ближче один до одного, ніж нітрил-бутадієновий каучук та нафтенові олії, а невідповідність платоспроможності додатково збільшується при зміні на нафтенові до парафінових масел.
Дивлячись на вимірювання твердості та міцності на розрив, стає очевидною така тенденція: набухання завжди пов'язане з певними втратами твердості та міцності на розрив (рисунки 3 та 4).
Крім того, наші експерименти показали, що тривалий контакт зі жирами та базовими маслами також істотно впливає на температуру скло (Tg) гуми. З точки зору користувача, Tg гуми є важливим параметром, який визначає найнижчу температуру, нижче якої гума не може бути використана, оскільки вона втрачає свою еластичність. Відомо, що присутні пластифікатори знижують температуру склування Tg (точно так само, як присутність розчинника зазвичай пригнічує температуру замерзання розчинів). Отже, збільшення Tg каучуків, витриманих у базовій олії та мастилах, свідчить про перерозподіл пластифікатора між гумовою та масляною фазами: олія мігрує в каучук, а пластифікатори, спочатку присутні у гумі, мігрують назовні.
То як це можна запобігти? Один із запропонованих способів подолати це - нівелювати різниці концентрацій, додаючи відповідні гумові пластифікатори, такі як діоктиладіпат, до мастильних рецептур. Іншими альтернативами було використання більш полярного пластифікатора, такого як алкільований арилфосфат, або часткова заміна діоктиладіпату нафтеновим маслом у каучукових рецептурах. Ці можливості були перевірені, але жодна не виявилася абсолютно успішною. Заміна частини полярного пластифікатора (DOA) у каучук з нафтеновим маслом спочатку невелике підвищення температури скляного переходу (Tg), але мало впливає на результат тестів на старіння гуми; і каучуки, пластифіковані нафтеновими маслами та ефірами, також розкладаються аналогічно. І навпаки, показано, що додавання DOA до складу базових масел або мастил покращує низькотемпературні властивості каучуку (пригнічуючи Tg), але негативно впливає на механічні властивості, такі як твердість, міцність та індекс сумісності ущільнення. Відповідні експериментальні дані можна побачити на рисунках 5–8.
Результати випробувань переконливо свідчать про те, що взаємодія між мастилом та каучуком значною мірою визначається властивостями базового масла, використовуваного при формуванні мастила. Хороша сумісність гуми базових масел гарантує хорошу сумісність гум, що утворюються на них.
Висновки
Наші результати показують, що, намагаючись оптимізувати взаємодію між гумою та базовим маслом / мастилом, немає простої відповіді, а тип гуми, пластифікатор та склад базового масла / мастила - це всі змінні, які потрібно враховувати. Міграція пластифікаторів є важливою знахідкою, і її слід завжди враховувати.
У більшості випробувань добре очищені нафтенові олії та їх жири демонстрували хорошу сумісність каучуку, порівнянну або навіть більшу, ніж у інших аналогічних продуктів, доступних на ринку.