Резина и смазочные материалы должны вступать в контакт друг с другом во многих областях применения. Но часто возникают проблемы с так называемым «старением» резины: ухудшением свойств каучука из-за взаимодействия между резиной и участвующими в этом смазками / базовыми маслами.
Это очень изученное явление, но, как правило, в исследованиях недостаточно подробно рассматривается, почему эти два компонента несовместимы. В новом исследовании, проведенном Nynas, была исследована возможность измерения усадки и набухания резины из-за миграции масла между ними как относительно простого теста на совместимость резины и смазки. Исследование было сосредоточено на изменении механических и низкотемпературных свойств резины при ее контакте с рядом консистентных смазок и их базовых масел. Однако в процессе мы сделали интересное и важное открытие: мигрируют не только масло, но и другие ингредиенты. Они влияют на различные механические свойства и, следовательно, открытие имеет важные последствия при попытке оптимизировать взаимодействие резины и смазки.
Кто-то может сделать отличную формулировку для смазки. Тогда кто-то другой может сделать отличную формулировку для резины. Однако, когда эта великолепная смазка вступает в контакт с этой великолепной резиной, слишком часто резина быстро разрушается. Многие исследования касались этой проблемы, но мы обнаружили, что они не зашли достаточно далеко, чтобы понять основные причины несовместимости смазки и резины.
Взаимодействие, о котором мы говорим, обычно называют «старением» резины. Старение означает ухудшение свойств, которые необходимы резине для достижения ее цели. Для изучения этого процесса необходимо учитывать многие параметры, такие как растворимость полимера, пластификаторы, используемые в каучуке, и свойства базового масла. Было бы относительно просто, если бы вам нужно было провести только один или два теста, чтобы определить влияние старения на разные образцы. Теоретически измерения отека и усадки резины должно быть достаточно. Если предположить, что базовое масло перемещается между резиной и консистентной смазкой, хорошая совместимость должна проявляться незначительным или отсутствующим усадкой или набуханием. Но жизнь не всегда так проста ...
Описание испытаний
Был проведен ряд испытаний для сравнения совместимости базовых масел и смазок с резиной при старении. Для этой цели использовались четыре различных базовых масла, все из которых имели вязкость 150 мм2 / с при 40 ° С. Было проведено сравнение трех нафтеновых масел различной растворимости и одного парафинового масла.
Причина использования как смазки, так и базовых масел заключалась в том, чтобы определить, необходимо ли использовать смазку в испытаниях на совместимость с резиной или достаточно ли проводить испытания только с маслом, чтобы получить убедительные результаты.
Для проверки взаимодействия образцы резины были полностью погружены в базовые масла и смазки. Старение проводили при трех разных температурах, 80 ° С, 100 ° С и 120 ° С, и продолжительность испытания составляла одну неделю. Изменения твердости и веса каждого из образцов каучука измеряли в течение периода исследования.
Измерения твердости проводились с использованием метода IRHD, а результаты записывались с использованием шкалы IRHD, которая варьируется от 0 до 100, где 0 соответствует чрезвычайно мягкой резине. Обычные типы резины имеют значения IRHD от 30 до 85 градусов.
Прочность на растяжение и относительное удлинение также были измерены. Прочность на растяжение - это сила, необходимая для растяжения резины до разрыва, деленная на площадь поперечного сечения испытательного образца. Результаты выражены в МПа. Удлинение - это мера способности каучука растягиваться без разрывов, измеряемая в процентах от первоначальной длины.
Для образцов каучука, выдержанных в базовых маслах при 100 ° C, также были проведены измерения температуры стеклования, Tg. Все полимеры, в конечном счете, придут в жесткое (и хрупкое) состояние аморфного стекла, когда температура снизится до уровня, известного как температура стеклования полимера. Для резины эта температура указывает на низкотемпературный рабочий предел.
Результаты
Результаты показали, что при одинаковых условиях хлоропреновый каучук (CR) набухал больше, чем каучук из нитрил-бутадиенового каучука (NBR) (рис. 1 и 2). Фактически, резина NBR продемонстрировала усадку в большинстве случаев. Масла с более высокой растворяющей способностью, например, нафтеновые масла с высоким содержанием ароматических веществ, вызывают большее набухание для каучука CR, но меньшую усадку для каучука NBR, чем масла с более низкой растворяющей способностью, например, низкоароматические парафиновые масла. Таким образом, парафиновое масло вызывало минимальное набухание в случае каучука CR, но максимальную усадку в случае каучука NBR.
Это вполне логично, если учесть сходство свойств растворимости масел и каучуков. В общем, чем ближе растворимость масла к резине, тем больше количество масла, которое может быть захвачено резиной. Если платежеспособность выражается через значения параметров растворимости Гильдебранда, оказывается, что хлоропреновый каучук и нафтеновые масла подходят гораздо ближе друг к другу, чем нитрил-бутадиеновый каучук и нафтеновые масла, и несоответствие растворителей еще больше увеличивается при переходе от нафтеновых к парафиновым маслам.
Глядя на измерения твердости и прочности на разрыв, становится очевидной следующая тенденция: набухание всегда связано с определенными потерями в твердости и прочности на растяжение (рисунки 3 и 4).
Кроме того, наши эксперименты показали, что длительный контакт со смазками и базовыми маслами также значительно влияет на температуру стеклования (Tg) резины. С точки зрения пользователя, Tg каучука является важным параметром, который определяет самую низкую температуру, ниже которой резина не может использоваться, поскольку она теряет свою эластичность. Известно, что присутствие пластификатора снижает температуру стеклования Tg (так же, как присутствие растворенного вещества обычно снижает температуру замерзания растворов). Следовательно, увеличение Tg каучуков, состаренных в базовом масле и смазках, указывает на перераспределение пластификатора между резиной и масляной фазой: масло мигрирует в каучук, а пластификаторы, изначально присутствующие в каучуке, мигрируют.
Так как это можно предотвратить? Один из предложенных способов борьбы с этим состоял в выравнивании различий в концентрациях путем добавления соответствующих резиновых пластификаторов, таких как диоктиладипат, к составам консистентной смазки. Другие альтернативы заключались в использовании более полярного пластификатора, такого как алкилированный арилфосфат, или частичной замены диоктиладипата нафтеновым маслом в резиновых смесях. Эти возможности были проверены, но ни одна не оказалась полностью успешной. Замена части полярного пластификатора (DOA) в каучуке нафтеновым маслом первоначально дает небольшое повышение температуры стеклования (Tg), но мало влияет на результаты испытаний на старение каучука; и каучуки, пластифицированные нафтеновыми маслами и сложными эфирами, разлагаются аналогичным образом. Наоборот, добавление DOA к составам базового масла или консистентной смазки, как было показано, улучшает низкотемпературные свойства каучука (понижая Tg), но отрицательно влияет на механические свойства, такие как твердость, прочность и индекс совместимости уплотнения. Соответствующие экспериментальные данные можно увидеть на рисунках 5–8.
Результаты испытаний убедительно свидетельствуют о том, что взаимодействия между смазкой и резиной в значительной степени определяются свойствами базового масла, используемого в составе смазки. Хорошая резиновая совместимость базовых масел гарантирует хорошую резиновую совместимость производимых из них смазок.
Выводы
Наши результаты показывают, что при попытке оптимизировать взаимодействие между резиной и базовым маслом / консистентной смазкой простого ответа не существует, и тип резины, пластификатор и состав базового масла / консистентной смазки - все эти переменные, которые необходимо учитывать. Миграция пластификаторов является важной находкой, и ее всегда следует принимать во внимание.
В большинстве испытаний хорошо рафинированные нафтеновые масла и смазки, полученные из них, продемонстрировали хорошую совместимость с резиной, сравнимую или даже превосходящую аналогичные характеристики других аналогичных продуктов, доступных на рынке.