El caucho y los lubricantes deben entrar en contacto entre sí en muchas aplicaciones. Pero a menudo hay problemas con lo que se conoce como "envejecimiento" del caucho: un deterioro de las propiedades del caucho debido a las interacciones entre el caucho y la grasa / aceites base involucrados.
Este es un fenómeno muy estudiado, pero generalmente los estudios no analizan suficientemente por qué los dos componentes son incompatibles. Un nuevo estudio realizado por Nynas investigó la posibilidad de medir el encogimiento y la hinchazón del caucho, debido a la migración del aceite entre uno y otro, como una prueba relativamente simple de compatibilidad entre el caucho y el lubricante. El estudio se centró en las alteraciones en las propiedades mecánicas y de baja temperatura del caucho durante su contacto con una serie de grasas y sus aceites base. Sin embargo, en el proceso hicimos un descubrimiento interesante e importante: no solo el aceite, sino también otros ingredientes que migran. Estos influyen en varias propiedades mecánicas y, por lo tanto, el descubrimiento tiene implicaciones importantes cuando se intenta optimizar las interacciones caucho / grasa.
Alguien podría hacer una gran formulación para la grasa. Entonces, alguien más podría hacer una gran formulación para el caucho. Sin embargo, cuando esa gran grasa entra en contacto con esa gran goma, con demasiada frecuencia la goma se destruye en poco tiempo. Muchos estudios han abordado ese problema, pero hemos descubierto que no han ido lo suficientemente lejos en la comprensión de las causas subyacentes de la incompatibilidad de grasa / caucho.
La interacción de la que estamos hablando generalmente se conoce como "envejecimiento" del caucho. Envejecer significa el deterioro de las propiedades que el caucho necesita para cumplir su propósito. Para estudiar este proceso, es necesario tener en cuenta muchos parámetros, como las propiedades de solvencia del polímero, los plastificantes utilizados en el caucho y las propiedades del aceite base. Sería relativamente simple si solo tuviera que realizar una o dos pruebas para determinar los efectos del envejecimiento en las diferentes muestras. En teoría, medir la hinchazón y la contracción del caucho debería ser suficiente. Suponiendo que lo que sucede es que el aceite base migra entre el caucho y la grasa, debe mostrarse una buena compatibilidad con poca o ninguna contracción o hinchazón. Pero la vida no siempre es tan simple ...
Descripción de pruebas
Se llevó a cabo una serie de pruebas para comparar la compatibilidad de los aceites y grasas base con el caucho durante el envejecimiento. Para este propósito se utilizaron cuatro aceites base diferentes, todos con una viscosidad de 150 mm2 / sa 40 ° C. Se compararon tres aceites nafténicos de solvencia variable y un aceite parafínico.
La razón para usar tanto la grasa como los aceites base fue determinar si es necesario usar grasa en las pruebas de compatibilidad de caucho o si es suficiente realizar las pruebas con el aceite solo para obtener resultados concluyentes.
Para probar las interacciones, las muestras de caucho se sumergieron totalmente en los aceites y grasas base. El envejecimiento se realizó a tres temperaturas diferentes, 80 ° C, 100 ° C y 120 ° C, y la duración de la prueba fue de una semana. Los cambios en la dureza y el peso de cada una de las muestras de caucho se midieron durante el período del estudio.
Las mediciones de dureza se llevaron a cabo utilizando el método IRHD y los resultados se registraron utilizando la escala IRHD que va de 0 a 100, donde 0 corresponde a un caucho extremadamente blando. Los tipos de caucho comunes tienen valores de IRHD de 30 a 85 grados.
También se midieron la resistencia a la tracción y el alargamiento. La resistencia a la tracción es la fuerza requerida para estirar el caucho hasta la ruptura dividido por el área de la sección transversal de la pieza de prueba. Los resultados se expresan en MPa. El alargamiento es la medida de la capacidad del caucho para estirarse sin romperse, medida como porcentaje de la longitud original.
Para las muestras de caucho que fueron envejecidas en aceites base a 100 ° C, también se realizaron mediciones de la temperatura de transición vítrea, Tg. Todos los polímeros eventualmente se endurecerán a un estado de vidrio amorfo rígido (y frágil) cuando la temperatura disminuya a un nivel conocido como la temperatura de transición del vidrio polimérico. Para el caucho, esta temperatura indica el límite de servicio a baja temperatura.
Resultados
Los resultados mostraron que, en condiciones idénticas, el caucho de cloropreno (CR) se hinchó más que el caucho de nitrilo-butadieno (NBR) (Figuras 1 y 2). De hecho, el caucho NBR demostró contracción en la mayoría de los casos. Los aceites con mayor poder disolvente, por ejemplo, aceites nafténicos con alto contenido aromático, provocan más hinchamiento para el caucho CR, pero menos contracción para el caucho NBR, que los aceites con menor poder disolvente, por ejemplo, aceites parafínicos poco aromáticos. Por lo tanto, el aceite parafínico causó un hinchamiento mínimo en el caso del caucho CR, pero una contracción máxima en el caso del caucho NBR.
Esto es bastante lógico cuando se considera la similitud de las propiedades de solvencia de los aceites y los cauchos. En general, cuanto más cercana sea la solvencia del aceite a la del caucho, mayor será la cantidad de aceite que el caucho puede atrapar. Si la solvencia se expresa a través de los valores de los parámetros de solubilidad de Hildebrand, se descubre que el caucho de cloropreno y los aceites nafténicos son mucho más cercanos entre sí que los aceites de caucho de nitrilo-butadieno y los aceites nafténicos, y el desajuste de solvencia aumenta aún más al cambiar de aceites nafténicos a parafínicos.
Al observar las medidas de dureza y resistencia a la tracción, la siguiente tendencia se vuelve obvia: la hinchazón siempre se asocia con ciertas pérdidas en la dureza y en la resistencia a la tracción (Figuras 3 y 4).
Además, nuestros experimentos han demostrado que un contacto prolongado con grasas y aceites base también afecta significativamente la temperatura de transición vítrea (Tg) del caucho. Desde la perspectiva del usuario, la Tg de caucho es un parámetro importante que determina la temperatura más baja por debajo de la cual no se puede usar el caucho, ya que pierde su elasticidad. Se sabe que la presencia de plastificante deprime la temperatura de transición vítrea Tg (de la misma manera que la presencia de un soluto normalmente deprimiría el punto de congelación de las soluciones). Por lo tanto, un aumento en la Tg de cauchos envejecidos en el aceite base y las grasas indica la redistribución del plastificante entre las fases de caucho y aceite: el aceite migra hacia el caucho y los plastificantes originalmente presentes en el caucho migran.
Entonces, ¿cómo se puede prevenir esto? Una forma sugerida de tratarlo era nivelar las diferencias de concentración agregando los plastificantes de goma correspondientes, como el dioctiladipato, a las formulaciones de grasa. Otras alternativas fueron utilizar un plastificante más polar, como el aril fosfato alquilado, o el reemplazo parcial de dioctiladipato por aceite nafténico en formulaciones de caucho. Estas posibilidades se verificaron pero ninguna resultó totalmente exitosa. Sustituir una parte del plastificante polar (DOA) en caucho con un aceite nafténico produce un pequeño aumento en la temperatura de transición vítrea (Tg) inicialmente pero tiene poco efecto en el resultado de las pruebas de envejecimiento del caucho; y las gomas plastificadas con aceites nafténicos y con ésteres se degradan de manera similar. Por el contrario, se ha demostrado que agregar DOA a las formulaciones de aceite base o grasa mejora las propiedades de baja temperatura del caucho (al presionar la Tg) pero tiene un efecto adverso sobre las propiedades mecánicas, como la dureza, la resistencia y el índice de compatibilidad del sello. Los datos experimentales correspondientes se pueden ver en las Figuras 5-8.
Los resultados de las pruebas sugieren de manera concluyente que las interacciones entre la grasa y el caucho están determinadas en gran medida por las propiedades del aceite base utilizado en la formulación de la grasa. La buena compatibilidad del caucho de los aceites base garantiza una buena compatibilidad del caucho de las grasas producidas por los mismos.
Conclusiones
Nuestros resultados muestran que, al tratar de optimizar las interacciones entre el caucho y el aceite base / grasa, no hay una respuesta simple, y el tipo de caucho, el plastificante y la composición del aceite base / grasa son variables que deben considerarse. La migración de plastificantes es un hallazgo importante y siempre debe tenerse en cuenta.
En la mayoría de las pruebas, los aceites y grasas nafténicos bien refinados producidos con los mismos demostraron una buena compatibilidad con el caucho, comparable o incluso superior a la de otros productos análogos disponibles en el mercado.