Gummi och smörjmedel måste komma i kontakt med varandra i många applikationer. Men det finns ofta problem med vad som kallas "åldring" av gummi: en försämring av gummiets egenskaper på grund av interaktion mellan gummit och de fett / basoljorna som är inblandade.
Detta är ett mycket studerat fenomen men i allmänhet undersöker studierna inte tillräckligt djupt i varför de två komponenterna är oförenliga. En ny studie som genomförts av Nynas undersökte möjligheten att mäta krympning och svullnad av gummit på grund av migrationen av oljan mellan det ena och det andra, som ett relativt enkelt test för kompatibilitet mellan gummi och smörjmedel. Studien fokuserade på förändringar i de mekaniska och låga temperaturegenskaperna hos gummi under dess kontakt med ett antal fetter och deras basoljor. Men under processen gjorde vi en intressant och viktig upptäckt: det är inte bara oljan utan också andra ingredienser som migrerar. Dessa påverkar olika mekaniska egenskaper och följaktligen har upptäckten viktiga konsekvenser när man försöker optimera gummi / fettinteraktioner.
Någon kan göra en bra formulering för fett. Då kan någon annan göra en bra formulering för gummi. Men när det stora fettet kommer i kontakt med det stora gummiet förstörs alltför ofta gummiet på nolltid. Många studier har behandlat den frågan, men vi har funnit att de inte har gått tillräckligt långt för att förstå de bakomliggande orsakerna till fett / gummiförenlighet.
Den interaktion vi pratar om benämns vanligtvis "åldrande" av gummi. Åldring betyder försämring av egenskaperna som gummit behöver för att tjäna sitt syfte. För att studera denna process måste många parametrar beaktas, såsom solvensegenskaperna för polymeren, mjukningsmedlen som används i gummit och basoljans egenskaper. Det skulle vara relativt enkelt om du bara skulle behöva utföra ett eller två test för att bestämma effekterna av åldrande på de olika proverna. I teorin bör mätning av svullnad och krympning av gummit vara tillräckligt. Antagande att vad som händer är att basoljan migrerar mellan gummi och fett, bör god kompatibilitet visas med liten eller ingen krympning eller svullnad. Men livet är inte alltid så enkelt ...
Beskrivning av tester
En serie tester genomfördes för att jämföra kompatibiliteten mellan basoljor och fetter med gummi under åldring. För detta ändamål användes fyra olika basoljor, alla med en viskositet av 150 mm2 / s vid 40 ° C. Tre naftenoljor med varierande solvens och en paraffinolja jämfördes.
Anledningen till att använda både fettet och basoljorna var att bestämma om det är nödvändigt att använda fett i gummikompatibilitetstester eller om det räcker för att utföra testerna med oljan enbart för att få slutgiltiga resultat.
För att testa växelverkningarna nedsänktes gummiproverna helt i basoljor och fetter. Åldring utfördes vid tre olika temperaturer, 80 ° C, 100 ° C och 120 ° C, och testvaraktigheten var en vecka. Förändringar i hårdhet och vikt hos vart och ett av gummiproven mättes under studien.
Hårdhetsmätningar utfördes med IRHD-metoden och resultaten registrerades med IRHD-skalan som går från 0 till 100, där 0 motsvarar extremt mjukt gummi. Vanliga gummityper har IRHD-värden på 30 till 85 grader.
Draghållfasthet och töjning mättes också. Draghållfasthet är den kraft som krävs för att sträcka gummit till brott dividerat med provstyckets tvärsnittsarea. Resultaten uttrycks i MPa. Förlängning är måttet på gummiets förmåga att sträcka sig utan att bryta, mätt som procent av den ursprungliga längden.
För gummiproverna som åldrades i basoljor vid 100 ° C gjordes också mätningar av glasövergångstemperaturen, Tg. Alla polymerer kommer så småningom att stelna till ett styvt (och bräckligt) amorft glasstillstånd när temperaturen sänks till en nivå känd som polymerglasövergångstemperaturen. För gummi indikerar denna temperatur den låga temperaturgränsen.
Resultat
Resultaten visade att kloroprengummi (CR) under identiska förhållanden svällde mer än nitril-butadiengummi (NBR) gummi (figur 1 och 2). Faktum är att NBR-gummiet visade krympning i de flesta fall. Oljor med högre lösningsmedelskraft, t.ex. naftenoljor med högt aromatiskt innehåll, medför mer svullnad för CR-gummit, men mindre krympning för NBR-gummit, än oljor med låg lösningsmedelkraft, t.ex. lågaromatiska paraffinoljor. Således orsakade paraffinoljan minimalt svullnad för CR-gummi, men maximal krympning för NBR-gummi.
Detta är ganska logiskt när man tänker på likheten mellan solvensegenskaperna hos oljorna och gummierna. I allmänhet, ju närmare oljans solvens är som gummi, desto högre mängd olja som kan fångas med gummi. Om solvens uttrycks genom Hildebrand-löslighetsparametervärden, har kloroprengummi och naftenoljor visat sig passa mycket närmare varandra än nitril-butadiengummi och naftenoljor, och solvensmatchningen ökar ytterligare vid förändring från naften till paraffinoljor.
När man tittar på mätningarna av hårdhet och draghållfasthet blir följande trend uppenbar: svullnad är alltid förknippad med vissa hårdhetsförluster och draghållfasthet (figur 3 och 4).
Dessutom har våra experiment visat att en långvarig kontakt med fett och basoljor också påverkar glasövergångstemperaturen (Tg) av gummi avsevärt. Ur användarperspektivet är Tg gummi en viktig parameter som bestämmer den lägsta temperaturen under vilken gummi inte kan användas eftersom det tappar sin elasticitet. Närvaron av mjukgörare är känt för att trycka ner glasövergångstemperaturen Tg (på samma sätt som närvaron av ett löst ämne normalt skulle pressa ned fryspunkten för lösningar). Därför indikerar en ökning av Tg av gummi åldrats i basoljan och fettema omfördelning av mjukgörare mellan gummit och oljefaserna: olja migrerar in i gummit och mjukgörare som ursprungligen fanns i gummiet migrerar ut.
Så hur kan detta förhindras? Ett föreslaget sätt att hantera det var att jämna ut koncentrationsskillnaderna genom att tillsätta motsvarande gummimjukgörare, såsom dioktyladipat, till fettformuleringarna. Andra alternativ var att använda en mer polär mjukgörare, såsom alkylerat arylfosfat, eller delvis ersättning av dioktyladipat med naftenolja i gummiformuleringar. Dessa möjligheter undersöktes men ingen visade sig helt framgångsrik. Att ersätta en del av det polära mjukningsmedlet (DOA) i gummi med en naftenolja ger en liten ökning av glasövergångstemperaturen (Tg) initialt men har liten effekt på resultatet av åldringstest av gummi; och gummier mjukgjorda med naftenoljor och med estrar bryts ned på liknande sätt. Omvänt har tillsats av DOA till basolja- eller fettformuleringar visat sig förbättra gummins låga temperaturegenskaper (genom att trycka ned Tg) men har en negativ inverkan på de mekaniska egenskaperna såsom hårdhet, styrka och tätningskompatibilitetsindex. Motsvarande experimentella data kan ses i figurerna 5-8.
Resultaten av testerna antyder slutgiltigt att växelverkan mellan fett och gummi till stor del bestäms av egenskaperna hos basoljan som används i fettformuleringen. Bra gummikompatibilitet hos basoljor garanterar god gummikompatibilitet hos fetter som produceras därav.
Slutsatser
Våra resultat visar att när man försöker optimera växelverkan mellan gummi och basolja / fett, finns det inget enkelt svar, och gummitypen, mjukgöraren och basoljan / fettkompositionen är alla variabler som måste beaktas. Flyttning av mjukgörare är ett viktigt fynd och det bör alltid beaktas.
I de flesta tester visade de välraffinerade naftenoljor och fetter som producerats därav god gummikompatibilitet, jämförbar med eller till och med överskridande den för andra analoga produkter som finns tillgängliga på marknaden.