Gummi und Schmiermittel müssen in vielen Anwendungen miteinander in Kontakt kommen. Es gibt jedoch häufig Probleme mit der sogenannten "Alterung" von Kautschuk: eine Verschlechterung der Eigenschaften des Kautschuks aufgrund von Wechselwirkungen zwischen dem Kautschuk und den beteiligten Fett- / Grundölen.
Dies ist ein viel untersuchtes Phänomen, aber im Allgemeinen untersuchen die Studien nicht tief genug, warum die beiden Komponenten nicht kompatibel sind. Eine neue von Nynas durchgeführte Studie untersuchte die Möglichkeit, das Schrumpfen und Quellen des Kautschuks aufgrund der Migration des Öls zwischen den beiden zu messen, als relativ einfachen Test für die Verträglichkeit zwischen Kautschuk und Schmiermittel. Die Studie konzentrierte sich auf Veränderungen der mechanischen Eigenschaften und der Tieftemperatureigenschaften von Kautschuk während des Kontakts mit einer Reihe von Fetten und deren Grundölen. Dabei haben wir jedoch eine interessante und wichtige Entdeckung gemacht: Nicht nur das Öl, sondern auch andere Inhaltsstoffe wandern ab. Diese beeinflussen verschiedene mechanische Eigenschaften und daher hat die Entdeckung wichtige Auswirkungen auf den Versuch, die Wechselwirkungen zwischen Gummi und Fett zu optimieren.
Jemand könnte eine großartige Formulierung für Fett machen. Dann könnte jemand anderes eine großartige Formulierung für Gummi machen. Wenn dieses große Fett jedoch mit diesem großen Gummi in Kontakt kommt, wird der Gummi viel zu oft in kürzester Zeit zerstört. Viele Studien haben sich mit diesem Problem befasst, aber wir haben festgestellt, dass sie nicht weit genug gegangen sind, um die zugrunde liegenden Ursachen für die Inkompatibilität von Fett und Gummi zu verstehen.
Die Wechselwirkung, über die wir sprechen, wird normalerweise als "Altern" von Gummi bezeichnet. Altern bedeutet eine Verschlechterung der Eigenschaften, die der Kautschuk benötigt, um seinen Zweck zu erfüllen. Um diesen Prozess zu untersuchen, müssen viele Parameter berücksichtigt werden, wie beispielsweise die Löslichkeitseigenschaften des Polymers, die im Kautschuk verwendeten Weichmacher und die Eigenschaften des Grundöls. Es wäre relativ einfach, wenn Sie nur ein oder zwei Tests durchführen müssten, um die Auswirkungen des Alterns auf die verschiedenen Proben zu bestimmen. Theoretisch sollte es ausreichen, das Quellen und Schrumpfen des Gummis zu messen. Unter der Annahme, dass das Grundöl zwischen Gummi und Fett wandert, sollte eine gute Verträglichkeit durch geringes oder gar kein Schrumpfen oder Quellen nachgewiesen werden. Aber das Leben ist nicht immer so einfach ...
Beschreibung der Tests
Eine Reihe von Tests wurde durchgeführt, um die Verträglichkeit von Grundölen und -fetten mit Gummi während des Alterns zu vergleichen. Zu diesem Zweck wurden vier verschiedene Grundöle verwendet, die alle eine Viskosität von 150 mm² / s bei 40ºC hatten. Es wurden drei Naphthenöle unterschiedlicher Löslichkeit und ein Paraffinöl verglichen.
Der Grund für die Verwendung sowohl des Fettes als auch der Grundöle bestand darin, festzustellen, ob bei Gummikompatibilitätstests Fett verwendet werden muss oder ob es ausreicht, die Tests nur mit dem Öl durchzuführen, um schlüssige Ergebnisse zu erzielen.
Um die Wechselwirkungen zu testen, wurden die Gummiproben vollständig in die Grundöle und -fette eingetaucht. Die Alterung wurde bei drei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, 80 ° C, 100 ° C und 120 ° C, und die Testdauer betrug eine Woche. Änderungen der Härte und des Gewichts jeder der Gummiproben wurden während des Untersuchungszeitraums gemessen.
Härtemessungen wurden unter Verwendung der IRHD-Methode durchgeführt und die Ergebnisse unter Verwendung der IRHD-Skala aufgezeichnet, die von 0 bis 100 reicht, wobei 0 extrem weichem Gummi entspricht. Gängige Kautschuktypen haben IRHD-Werte von 30 bis 85 Grad.
Zugfestigkeit und Dehnung wurden ebenfalls gemessen. Die Zugfestigkeit ist die Kraft, die erforderlich ist, um den Gummi bis zum Bruch zu dehnen, geteilt durch die Querschnittsfläche des Teststücks. Die Ergebnisse sind in MPa ausgedrückt. Die Dehnung ist das Maß für die Fähigkeit des Gummis, sich zu dehnen, ohne zu brechen, gemessen als Prozent der ursprünglichen Länge.
Für die Gummiproben, die in Grundölen bei 100 ° C gealtert wurden, wurden auch Messungen der Glasübergangstemperatur Tg durchgeführt. Alle Polymere versteifen sich schließlich zu einem starren (und zerbrechlichen) amorphen Glaszustand, wenn die Temperatur auf ein Niveau gesenkt wird, das als Polymerglasübergangstemperatur bekannt ist. Bei Gummi gibt diese Temperatur die Betriebsgrenze für niedrige Temperaturen an.
Ergebnisse
Die Ergebnisse zeigten, dass Chloroprenkautschuk (CR) unter identischen Bedingungen stärker anschwoll als Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR) (Abbildungen 1 und 2). Tatsächlich zeigte der NBR-Kautschuk in den meisten Fällen eine Schrumpfung. Öle mit höherer Lösungsmittelkraft, z. B. Naphthenöle mit hohem Aromatengehalt, führen zu einer stärkeren Quellung des CR-Kautschuks, jedoch zu einer geringeren Schrumpfung des NBR-Kautschuks als Öle mit geringerer Lösungsmittelkraft, z. B. niedrigaromatische Paraffinöle. Somit verursachte das Paraffinöl im Fall von CR-Kautschuk eine minimale Quellung, im Fall von NBR-Kautschuk jedoch eine maximale Schrumpfung.
Dies ist ziemlich logisch, wenn man die Ähnlichkeit der Löslichkeitseigenschaften der Öle und der Kautschuke betrachtet. Im Allgemeinen ist die Ölmenge, die von Gummi eingeschlossen werden kann, umso höher, je näher die Löslichkeit des Öls an der von Gummi liegt. Wenn die Löslichkeit durch Hildebrand-Löslichkeitsparameterwerte ausgedrückt wird, wird festgestellt, dass Chloroprenkautschuk und Naphthenöle viel näher beieinander liegen als Nitril-Butadien-Kautschuk und Naphthenöle, und die Löslichkeitsfehlanpassung nimmt beim Wechsel von Naphthen- zu Paraffinölen weiter zu.
Bei der Messung der Härte und Zugfestigkeit wird der folgende Trend deutlich: Das Quellen ist immer mit bestimmten Verlusten an Härte und Zugfestigkeit verbunden (Abbildungen 3 und 4).
Darüber hinaus haben unsere Experimente gezeigt, dass ein längerer Kontakt mit Fetten und Grundölen auch die Glasübergangstemperatur (Tg) von Kautschuk signifikant beeinflusst. Aus Anwendersicht ist Tg von Gummi ein wichtiger Parameter, der die niedrigste Temperatur bestimmt, unter der Gummi nicht verwendet werden kann, da er seine Elastizität verliert. Es ist bekannt, dass das Vorhandensein eines Weichmachers die Glasübergangstemperatur Tg senkt (genauso wie das Vorhandensein eines gelösten Stoffes normalerweise den Gefrierpunkt von Lösungen senken würde). Daher zeigt eine Erhöhung der Tg von Kautschuken, die im Grundöl und in den Fetten gealtert sind, eine Umverteilung des Weichmachers zwischen der Kautschuk- und der Ölphase an: Öl wandert in den Kautschuk und die ursprünglich im Kautschuk vorhandenen Weichmacher wandern aus.
Wie kann dies verhindert werden? Ein vorgeschlagener Weg, um damit umzugehen, bestand darin, die Konzentrationsunterschiede durch Zugabe der entsprechenden Kautschukweichmacher wie Dioctyladipat zu den Fettformulierungen auszugleichen. Andere Alternativen waren die Verwendung eines polareren Weichmachers wie alkyliertes Arylphosphat oder ein teilweiser Ersatz von Dioctyladipat durch Naphthenöl in Kautschukformulierungen. Diese Möglichkeiten wurden geprüft, aber keine erwies sich als völlig erfolgreich. Das Ersetzen eines Teils des polaren Weichmachers (DOA) in Kautschuk durch ein Naphthenöl führt anfänglich zu einer geringfügigen Erhöhung der Glasübergangstemperatur (Tg), hat jedoch nur geringe Auswirkungen auf das Ergebnis von Kautschukalterungstests. und mit naphthenischen Ölen und mit Estern plastifizierte Kautschuke werden in ähnlicher Weise abgebaut. Umgekehrt hat sich gezeigt, dass die Zugabe von DOA zu Grundöl- oder Fettformulierungen die Tieftemperatureigenschaften von Kautschuk verbessert (durch Drücken von Tg), sich jedoch nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften wie Härte, Festigkeit und Dichtungsverträglichkeitsindex auswirkt. Die entsprechenden experimentellen Daten sind in den Abbildungen 5–8 zu sehen.
Die Ergebnisse der Tests legen den Schluss nahe, dass die Wechselwirkungen zwischen Fett und Kautschuk weitgehend durch die Eigenschaften des in der Fettformulierung verwendeten Grundöls bestimmt werden. Eine gute Kautschukverträglichkeit von Grundölen garantiert eine gute Kautschukverträglichkeit von daraus hergestellten Fetten.
Schlussfolgerungen
Unsere Ergebnisse zeigen, dass es bei dem Versuch, die Wechselwirkungen zwischen Gummi und dem Grundöl / Fett zu optimieren, keine einfache Antwort gibt und der Kautschuktyp, der Weichmacher und die Zusammensetzung des Grundöls / Fettes alle Variablen sind, die berücksichtigt werden müssen. Die Migration von Weichmachern ist ein wichtiger Befund und sollte immer berücksichtigt werden.
In den meisten Tests zeigten die gut raffinierten naphthenischen Öle und Fette, die daraus hergestellt wurden, eine gute Kautschukverträglichkeit, die mit der anderer auf dem Markt erhältlicher analoger Produkte vergleichbar ist oder diese sogar übertrifft.