Cao su và chất bôi trơn cần tiếp xúc với nhau trong nhiều ứng dụng. Nhưng thường có vấn đề với cái gọi là "lão hóa" cao su: sự suy giảm các tính chất của cao su do tương tác giữa cao su và dầu mỡ / dầu gốc liên quan.
Đây là một hiện tượng được nghiên cứu nhiều nhưng nhìn chung các nghiên cứu không nhìn sâu vào lý do tại sao hai thành phần này không tương thích. Một nghiên cứu mới được thực hiện bởi Nynas đã điều tra khả năng đo độ co và phồng của cao su, do sự di chuyển của dầu giữa cái này và cái kia, như một thử nghiệm tương đối đơn giản về khả năng tương thích giữa cao su và chất bôi trơn. Nghiên cứu tập trung vào sự thay đổi tính chất cơ học và nhiệt độ thấp của cao su trong quá trình tiếp xúc với một số loại mỡ và dầu gốc của chúng. Tuy nhiên, trong quá trình chúng tôi thực hiện một khám phá thú vị và quan trọng: đó không chỉ là dầu, mà còn các thành phần khác di chuyển. Những ảnh hưởng này đến các tính chất cơ học khác nhau và do đó khám phá có ý nghĩa quan trọng khi cố gắng tối ưu hóa các tương tác cao su / dầu mỡ.
Ai đó có thể tạo ra một công thức tuyệt vời cho dầu mỡ. Sau đó, một số người khác có thể tạo ra một công thức tuyệt vời cho cao su. Tuy nhiên, khi dầu mỡ lớn đó tiếp xúc với cao su tuyệt vời đó, quá thường xuyên, cao su sẽ bị phá hủy nhanh chóng. Nhiều nghiên cứu đã giải quyết vấn đề đó, nhưng chúng tôi đã phát hiện ra rằng họ chưa đi đủ xa để hiểu nguyên nhân cơ bản của sự không tương thích dầu mỡ / cao su.
Sự tương tác mà chúng ta đang nói đến thường được gọi là "lão hóa" cao su. Lão hóa có nghĩa là suy giảm các tính chất cao su cần để phục vụ mục đích của nó. Để nghiên cứu quá trình này, nhiều tham số cần được xem xét, chẳng hạn như tính chất khả năng thanh toán của polymer, chất hóa dẻo được sử dụng trong cao su và tính chất của dầu gốc. Sẽ tương đối đơn giản nếu bạn chỉ phải tiến hành một hoặc hai xét nghiệm để xác định ảnh hưởng của lão hóa đối với các mẫu khác nhau. Về lý thuyết, đo độ phồng và độ co của cao su là đủ. Giả sử rằng những gì xảy ra là dầu gốc di chuyển giữa cao su và dầu mỡ, khả năng tương thích tốt phải được thể hiện bằng cách ít hoặc không co lại hoặc sưng. Nhưng cuộc sống không phải lúc nào cũng đơn giản
Mô tả các bài kiểm tra
Một loạt các thử nghiệm đã được thực hiện để so sánh khả năng tương thích của dầu gốc và mỡ nhờn với cao su trong quá trình lão hóa. Với mục đích này, bốn loại dầu gốc khác nhau đã được sử dụng, tất cả đều có độ nhớt 150 mm2 / s ở 40 ° C. Ba loại dầu naphthenic có khả năng thanh toán khác nhau và một loại dầu parafin được so sánh.
Lý do sử dụng cả dầu mỡ và dầu gốc là để xác định xem có cần thiết phải sử dụng dầu mỡ trong các thử nghiệm tương thích cao su hay không nếu chỉ cần thực hiện các thử nghiệm với dầu để có kết quả cuối cùng.
Để kiểm tra sự tương tác, các mẫu cao su được ngâm hoàn toàn trong dầu gốc và mỡ. Lão hóa được thực hiện ở ba nhiệt độ khác nhau, 80 ° C, 100 ° C và 120 ° C, và thời gian thử nghiệm là một tuần. Sự thay đổi độ cứng và trọng lượng của từng mẫu cao su được đo trong suốt thời gian nghiên cứu.
Các phép đo độ cứng được thực hiện bằng phương pháp IRHD và kết quả được ghi lại bằng thang đo IRHD chạy từ 0 đến 100, trong đó 0 tương ứng với cao su cực kỳ mềm. Các loại cao su thông thường có giá trị IRHD từ 30 đến 85 độ.
Độ bền kéo và độ giãn dài cũng được đo. Độ bền kéo là lực cần thiết để kéo căng cao su đến vỡ chia cho diện tích mặt cắt ngang của mẫu thử. Các kết quả được thể hiện bằng MPa. Độ giãn dài là thước đo khả năng co giãn mà không bị đứt của cao su, được đo bằng phần trăm của chiều dài ban đầu.
Đối với các mẫu cao su được ủ trong dầu gốc ở 100 ° C, các phép đo nhiệt độ chuyển thủy tinh, Tg, cũng được thực hiện. Tất cả các polyme cuối cùng sẽ cứng lại ở trạng thái thủy tinh vô định hình cứng (và dễ vỡ) khi nhiệt độ giảm xuống mức được gọi là nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh polymer. Đối với cao su, nhiệt độ này cho biết giới hạn dịch vụ nhiệt độ thấp.
Các kết quả
Kết quả cho thấy, trong các điều kiện giống hệt nhau, cao su chloroprene (CR) phồng lên nhiều hơn cao su nitrile-butadiene (NBR) (Hình 1 và 2). Trong thực tế, cao su NBR đã chứng minh sự co ngót trong hầu hết các trường hợp. Dầu có công suất dung môi cao hơn, ví dụ dầu naphthenic có hàm lượng thơm cao, mang lại độ phồng cao hơn cho cao su CR, nhưng ít co ngót hơn cho cao su NBR, so với các loại dầu có công suất dung môi thấp hơn, ví dụ như dầu parafin có mùi thơm thấp. Do đó, dầu parafin gây ra sưng tối thiểu trong trường hợp cao su CR, nhưng co rút tối đa trong trường hợp cao su NBR.
Điều này khá hợp lý khi xem xét khả năng thanh toán của các loại dầu và cao su. Nói chung, khả năng thanh toán của dầu với cao su càng gần thì lượng dầu có thể được sử dụng bởi cao su càng cao. Nếu khả năng thanh toán được thể hiện thông qua các giá trị tham số độ hòa tan của Hildebrand, thì cao su chloroprene và dầu naphthenic được tìm thấy phù hợp gần nhau hơn nhiều so với dầu cao su nitrile-butadiene và dầu naphthenic.
Nhìn vào các phép đo độ cứng và độ bền kéo, xu hướng sau đây trở nên rõ ràng: sưng luôn đi kèm với một số tổn thất nhất định về độ cứng và độ bền kéo (Hình 3 và 4).
Hơn nữa, các thí nghiệm của chúng tôi đã chỉ ra rằng sự tiếp xúc kéo dài với dầu mỡ và dầu gốc cũng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) của cao su. Từ góc độ người dùng, Tg cao su là một thông số quan trọng xác định nhiệt độ thấp nhất dưới mức cao su không thể được sử dụng vì nó mất tính đàn hồi. Sự hiện diện của chất hóa dẻo được biết là làm giảm nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh Tg (giống như sự có mặt của chất tan thường làm giảm điểm đóng băng của các dung dịch). Do đó, sự gia tăng Tg cao su trong dầu gốc và mỡ cho thấy sự phân phối lại chất hóa dẻo giữa cao su và pha dầu: dầu di chuyển vào cao su và chất dẻo ban đầu có trong cao su di chuyển ra ngoài.
Vì vậy, làm thế nào điều này có thể được ngăn chặn? Một cách được đề xuất để đối phó với nó là loại bỏ sự khác biệt về nồng độ bằng cách thêm các chất hóa dẻo cao su tương ứng, như dioctyladipate, vào các công thức dầu mỡ. Các lựa chọn thay thế khác là sử dụng chất làm dẻo phân cực hơn, chẳng hạn như aryl phosphate được kiềm hóa, hoặc thay thế một phần dioctyladipate bằng dầu naphthenic trong các công thức cao su. Những khả năng này đã được kiểm tra nhưng không có gì chứng minh hoàn toàn thành công. Việc thay thế một phần chất làm dẻo phân cực (DOA) trong cao su bằng dầu naphthenic làm tăng một chút nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) ban đầu nhưng ít ảnh hưởng đến kết quả của các thử nghiệm lão hóa cao su; và cao su dẻo hóa với dầu naphthenic và với este xuống cấp tương tự. Ngược lại, việc thêm DOA vào các công thức dầu hoặc mỡ gốc đã được chứng minh là giúp tăng cường các tính chất nhiệt độ thấp của cao su (bằng cách làm giảm Tg) nhưng có ảnh hưởng xấu đến các tính chất cơ học như độ cứng, độ bền và chỉ số tương thích con dấu. Dữ liệu thử nghiệm tương ứng có thể được nhìn thấy trong Hình 5.
Kết quả của các thử nghiệm cho thấy kết luận rằng sự tương tác giữa dầu mỡ và cao su được xác định chủ yếu bởi các tính chất của dầu gốc được sử dụng trong công thức dầu mỡ. Khả năng tương thích cao su tốt của dầu gốc đảm bảo khả năng tương thích cao su tốt của mỡ được sản xuất.
Kết luận
Kết quả của chúng tôi cho thấy, khi cố gắng tối ưu hóa các tương tác giữa cao su và dầu / mỡ gốc, không có câu trả lời đơn giản nào, và loại cao su, chất làm dẻo và thành phần dầu / mỡ gốc là tất cả các biến cần được xem xét. Sự di chuyển của chất hóa dẻo là một phát hiện quan trọng và nó luôn cần được xem xét.
Trong phần lớn các thử nghiệm, các loại dầu và mỡ naphthen tinh chế tốt được sản xuất từ chúng cho thấy khả năng tương thích cao su tốt, tương đương hoặc thậm chí vượt trội so với các sản phẩm tương tự khác có sẵn trên thị trường.