V mnoha aplikacích musí guma a maziva přijít do vzájemného kontaktu. Často však existují problémy s tím, co se nazývá „stárnutí“ kaučuku: zhoršení vlastností kaučuku v důsledku interakcí mezi kaučukem a zahrnutým tukem / základními oleji.
Jedná se o velmi studovaný fenomén, ale obecně se studie příliš nedohlíží na to, proč jsou tyto dvě složky nekompatibilní. Nová studie provedená společností Nynas zkoumala možnost měření smršťování a bobtnání kaučuku v důsledku migrace oleje mezi jedním a druhým jako relativně jednoduchý test kompatibility mezi kaučukem a lubrikantem. Studie byla zaměřena na změny mechanických a nízkoteplotních vlastností kaučuku při jeho kontaktu s řadou tuků a jejich základních olejů. V tomto procesu jsme však provedli zajímavý a důležitý objev: migrují nejen oleje, ale i další složky. Ty ovlivňují různé mechanické vlastnosti, a proto objev má důležité důsledky, když se snaží optimalizovat interakce guma / tuk.
Někdo by mohl udělat skvělou formulaci pro mastnotu. Pak by někdo jiný mohl udělat skvělou formulaci pro gumu. Když však toto velké mazivo přijde do styku s touto skvělou gumou, je guma příliš často zničena v žádném okamžiku. Mnoho studií se touto otázkou zabývalo, ale zjistili jsme, že za účelem pochopení základních příčin neslučitelnosti tuk / guma nezašli dostatečně daleko.
Interakce, o které mluvíme, se obvykle označuje jako „stárnutí“ gumy. Stárnutí znamená zhoršení vlastností, které guma potřebuje ke svému účelu. Aby bylo možné tento proces studovat, je třeba vzít v úvahu řadu parametrů, jako jsou solventní vlastnosti polymeru, změkčovadla použitá v kaučuku a vlastnosti základního oleje. Bylo by relativně jednoduché, kdybyste museli provést pouze jeden nebo dva testy k určení účinků stárnutí na různé vzorky. Teoreticky by mělo stačit měření otoku a smrštění pryže. Za předpokladu, že se stane, že základní olej migruje mezi gumou a tukem, by měla být dobrá kompatibilita prokázána malým nebo žádným smrštěním nebo otokem. Ale život není vždy tak jednoduchý…
Popis zkoušek
Byla provedena řada testů pro porovnání kompatibility základních olejů a tuků s kaučukem během stárnutí. K tomuto účelu byly použity čtyři různé základní oleje, z nichž všechny měly viskozitu 150 mm2 / s při 40 ° C. Byly srovnány tři naftenické oleje různé solventnosti a jeden parafinový olej.
Důvodem použití tuků i základních olejů bylo zjistit, zda je nutné použít tuk při zkouškách kompatibility gumy, nebo zda k provedení přesvědčivých výsledků postačuje provést zkoušky pouze s olejem.
Pro testování interakcí byly vzorky gumy zcela ponořeny do základních olejů a tuků. Stárnutí bylo prováděno při třech různých teplotách, 80 ° C, 100 ° C a 120 ° C, a trvání testu bylo jeden týden. Po dobu studie byly měřeny změny v tvrdosti a hmotnosti každého ze vzorků kaučuku.
Měření tvrdosti byla prováděna metodou IRHD a výsledky byly zaznamenávány pomocí stupnice IRHD, která probíhá od 0 do 100, kde 0 odpovídá extrémně měkké gumě. Běžné typy kaučuku mají hodnoty IRHD 30 až 85 stupňů.
Byla také měřena pevnost v tahu a prodloužení. Pevnost v tahu je síla potřebná k protažení gumy k prasknutí dělená plochou průřezu zkušebního kusu. Výsledky jsou vyjádřeny v MPa. Protažení je míra schopnosti gumy natahovat se bez přetržení, měřeno jako procento původní délky.
U vzorků pryže, které stárly v základních olejích při 100 ° C, byla také provedena měření teploty skelného přechodu, Tg. Všechny polymery nakonec ztuhnou do tuhého (a křehkého) amorfního skelného stavu, když se teplota sníží na úroveň známou jako teplota přechodu na polymerní sklo. U pryže tato teplota označuje mezní hodnotu nízké teploty.
Výsledek
Výsledky ukázaly, že za stejných podmínek bobtnalo chloroprenový kaučuk (CR) více než kaučuk z nitril-butadienového kaučuku (NBR) (obrázky 1 a 2). Ve skutečnosti guma NBR ve většině případů vykazovala smršťování. Oleje s vyšším obsahem rozpouštědla, např. Naftenické oleje s vysokým obsahem aromatických látek, způsobují více bobtnání pro kaučuk CR, ale menší smršťování pro kaučuk NBR, než oleje s nižší silou rozpouštědla, např. Nízko aromatické parafínové oleje. Parafinový olej tak způsobil minimální bobtnání v případě gumy CR, ale maximální smrštění v případě gumy NBR.
To je zcela logické, pokud se vezme v úvahu podobnost solventnostních vlastností olejů a kaučuků. Obecně platí, že čím je solventnost oleje blíže solventnosti pryže, tím vyšší je množství oleje, které může být zachyceno pryží. Pokud je solventnost vyjádřena prostřednictvím hodnot parametru rozpustnosti Hildebrand, je shledáno, že chlorprenový kaučuk a naftenové oleje jsou vhodnější mnohem blíže sobě než nitril-butadienový kaučuk a naftenické oleje a nesoulad solventnosti se dále zvyšuje při přechodu z naftenických na parafínové oleje.
Při pohledu na měření tvrdosti a pevnosti v tahu je zřejmý následující trend: bobtnání je vždy spojeno s určitými ztrátami tvrdosti a pevnosti v tahu (obrázky 3 a 4).
Naše experimenty dále ukázaly, že dlouhodobý kontakt s tuky a základními oleji také významně ovlivňuje teplotu skelného přechodu (Tg) kaučuku. Z pohledu uživatele je Tg pryže důležitým parametrem, který určuje nejnižší teplotu, pod kterou gumu nelze použít, protože ztrácí svou pružnost. Je známo, že přítomnost změkčovadla snižuje teplotu skelného přechodu Tg (stejným způsobem, jako by přítomnost rozpuštěné látky normálně snižovala bod tuhnutí roztoků). Zvýšení Tg kaučuků stárlých v základním oleji a mazivech tedy indikuje redistribuci změkčovadla mezi pryžovou a olejovou fází: olej migruje do kaučuku a změkčovadla původně přítomná v kaučuku migrují ven.
Jak tomu lze zabránit? Jedním z navrhovaných způsobů, jak se s tím vypořádat, bylo vyrovnat rozdíly v koncentraci přidáním odpovídajících kaučukových změkčovadel, jako je dioktyladipát, do mazacích přípravků. Dalšími alternativami bylo použití polárního změkčovadla, jako je alkylovaný arylfosfát, nebo částečná náhrada dioktyladipátu naftenovým olejem v kaučukových formulacích. Tyto možnosti byly odzkoušeny, ale žádná z nich nebyla zcela úspěšná. Nahrazení části polárního změkčovadla (DOA) v kauču naftenickým olejem dává zpočátku malé zvýšení teploty skelného přechodu (Tg), ale má malý vliv na výsledek testů stárnutí pryže; a kaučuky plastifikované naftenickými oleji a estery se degradují podobně. Naopak bylo prokázáno, že přidání DOA k základním olejům nebo mazacím prostředkům zvyšuje nízkoteplotní vlastnosti pryže (stlačením Tg), ale má nepříznivý vliv na mechanické vlastnosti, jako je tvrdost, pevnost a index kompatibility těsnění. Odpovídající experimentální data jsou vidět na obrázcích 5–8.
Výsledky testů přesvědčivě naznačují, že interakce mezi tukem a kaučukem jsou do značné míry určovány vlastnostmi základního oleje použitého v tukové formulaci. Dobrá kompatibilita základních olejů s kaučukem zaručuje dobrou kompatibilitu kaučuků s mazivy, které jsou z nich vyráběny.
Závěry
Naše výsledky ukazují, že při pokusu o optimalizaci interakcí mezi kaučukem a základním olejem / tukem neexistuje jednoduchá odpověď a typ kaučuku, změkčovadlo a složení základního oleje / maziva jsou všechny proměnné, které je třeba vzít v úvahu. Migrace změkčovadel je důležitým nálezem a měla by se vždy brát v úvahu.
Ve většině zkoušek vykazovaly dobře rafinované naftenické oleje a tuky vyrobené z nich dobrou kompatibilitu s kaučukem, srovnatelnou nebo dokonce vyšší než u jiných analogických produktů dostupných na trhu.