Borracha e lubrificantes precisam entrar em contato um com o outro em muitas aplicações. Mas muitas vezes existem problemas com o que é conhecido como "envelhecimento" da borracha: uma deterioração das propriedades da borracha devido às interações entre a borracha e os óleos de graxa / base envolvidos.
Este é um fenômeno muito estudado, mas geralmente os estudos não analisam o suficiente o porquê dos dois componentes serem incompatíveis. Um novo estudo realizado por Nynas investigou a possibilidade de medir o encolhimento e o inchaço da borracha, devido à migração do óleo entre um e outro, como um teste relativamente simples de compatibilidade entre borracha e lubrificante. O estudo concentrou-se em alterações nas propriedades mecânicas e de baixa temperatura de borracha durante o seu contacto com um certo número de graxas e seus óleos de base. No entanto, no processo, fizemos uma descoberta interessante e importante: não são apenas o óleo, mas também outros ingredientes que migram. Elas influenciam várias propriedades mecânicas e, portanto, a descoberta tem implicações importantes ao tentar otimizar as interações borracha / graxa.
Alguém pode fazer uma ótima formulação para graxa. Então alguém pode fazer uma ótima formulação para a borracha. No entanto, quando essa grande graxa entra em contato com essa grande borracha, muitas vezes a borracha é destruída rapidamente. Muitos estudos trataram dessa questão, mas descobrimos que eles não foram suficientemente longe para entender as causas subjacentes da incompatibilidade de graxa / borracha.
A interação de que estamos falando é geralmente chamada de "envelhecimento" da borracha. O envelhecimento significa deterioração das propriedades que a borracha precisa para atender a seu propósito. Para estudar esse processo, muitos parâmetros precisam ser considerados, como as propriedades de solvência do polímero, os plastificantes usados na borracha e as propriedades do óleo base. Seria relativamente simples se você tivesse que realizar apenas um ou dois testes para determinar os efeitos do envelhecimento nas diferentes amostras. Em teoria, medir o inchaço e o encolhimento da borracha deve ser suficiente. Supondo que o que acontece é que o óleo base migre entre a borracha e a graxa, a boa compatibilidade deve ser mostrada com pouco ou nenhum encolhimento ou inchaço. Mas a vida nem sempre é tão simples ...
Descrição dos testes
Uma série de testes foi realizada para comparar a compatibilidade de óleos básicos e graxas com a borracha durante o envelhecimento. Para este fim, foram utilizados quatro óleos básicos diferentes, todos com uma viscosidade de 150 mm2 / s a 40 ° C. Foram comparados três óleos naftênicos de solvência variável e um óleo parafínico.
O motivo do uso da graxa e dos óleos básicos foi determinar se é necessário usar graxa nos testes de compatibilidade de borracha ou se é suficiente realizar os testes apenas com o óleo, a fim de obter resultados conclusivos.
Para testar as interações, as amostras de borracha foram totalmente imersas nos óleos básicos e graxas. O envelhecimento foi realizado em três temperaturas diferentes: 80 ° C, 100 ° C e 120 ° C, e a duração do teste foi de uma semana. Alterações na dureza e no peso de cada uma das amostras de borracha foram medidas durante o período do estudo.
As medidas de dureza foram realizadas pelo método IRHD e os resultados registrados pela escala IRHD, que varia de 0 a 100, onde 0 corresponde à borracha extremamente macia. Os tipos comuns de borracha têm valores de IRHD de 30 a 85 graus.
A resistência à tração e o alongamento também foram medidos. A resistência à tração é a força necessária para esticar a borracha até a ruptura, dividida pela área da seção transversal da peça de teste. Os resultados são expressos em MPa. O alongamento é a medida da capacidade da borracha de esticar sem quebrar, medida como uma porcentagem do comprimento original.
Para as amostras de borracha envelhecidas em óleos básicos a 100 ° C, também foram feitas medições da temperatura de transição vítrea, Tg. Todos os polímeros acabará por endurecer a um estado rígida de vidro (e frágil) amorfo quando a temperatura é diminuída para um nível conhecido como a temperatura de transição vítrea do polímero. Para borracha, essa temperatura indica o limite de serviço de baixa temperatura.
Resultados
Os resultados mostraram que, em condições idênticas, a borracha de cloropreno (CR) inchou mais do que a borracha de nitrila-butadieno (NBR) (Figuras 1 e 2). De fato, a borracha NBR demonstrou retração na maioria dos casos. Os óleos com maior poder solvente, por exemplo, óleos naftênicos com alto teor aromático, provocam mais inchaço na borracha CR, mas menos retração na borracha NBR do que os óleos com menor poder solvente, por exemplo, óleos parafínicos com baixo teor de aromáticos. Assim, o óleo parafínico causou inchaço mínimo no caso da borracha CR, mas retração máxima no caso da borracha NBR.
Isto é bastante lógico quando se considera a semelhança das propriedades de solvência dos óleos e as borrachas. Em geral, quanto mais próxima a solvência do óleo da borracha, maior a quantidade de óleo que pode ser retido pela borracha. Se a solvência for expressa através dos valores dos parâmetros de solubilidade de Hildebrand, a borracha de cloropreno e os óleos naftênicos são adequados muito mais próximos um do outro do que os óleos de borracha nitrílica-butadieno e naftênicos, e a incompatibilidade de solvência aumenta ainda mais na mudança de óleos naftênicos para parafínicos.
Observando as medidas de dureza e resistência à tração, a tendência a seguir se torna óbvia: o inchaço está sempre associado a certas perdas na dureza e na resistência à tração (Figuras 3 e 4).
Além disso, nossos experimentos mostraram que um contato prolongado com graxas e óleos básicos também afeta significativamente a temperatura de transição vítrea (Tg) da borracha. Do ponto de vista do usuário, Tg de borracha é um parâmetro importante que determina a temperatura mais baixa abaixo da qual a borracha não pode ser usada, pois perde sua elasticidade. A presença do agente plastificante é conhecido por diminuir a temperatura de transição vítrea Tg (da mesma maneira que a presença de um soluto faria normalmente baixar o ponto de congelação das soluções). Portanto, um aumento na Tg de borrachas envelhecidas no óleo base e nas graxas indica redistribuição do plastificante entre as fases da borracha e do óleo: o óleo migra para a borracha e os plastificantes originalmente presentes na borracha migram para fora.
Então, como isso pode ser evitado? Uma maneira sugerida de lidar com isso foi nivelar as diferenças de concentração adicionando os plastificantes de borracha correspondentes, como dioctilladipato, às formulações de graxa. Outras alternativas foram o uso de um plastificante mais polar, como o aril fosfato alquilado, ou a substituição parcial do dioctilladipato pelo óleo naftênico nas formulações de borracha. Estas possibilidades foram verificados fora, mas nenhum provou totalmente bem sucedida. Substituir uma parte do plastificante polar (DOA) na borracha por um óleo naftênico fornece inicialmente um pequeno aumento na temperatura de transição vítrea (Tg), mas tem pouco efeito no resultado dos testes de envelhecimento da borracha; e borrachas plastificadas com óleos naftênicos e com ésteres se degradam de maneira semelhante. Por outro lado, a adição de DOA às formulações de óleo ou graxa base aprimora as propriedades de baixa temperatura da borracha (pressionando Tg), mas tem um efeito adverso nas propriedades mecânicas, como dureza, resistência e índice de compatibilidade do selo. Os dados experimentais correspondentes podem ser vistos nas Figuras 5-8.
Os resultados dos testes sugerem conclusivamente que as interações entre graxa e borracha são amplamente determinadas pelas propriedades do óleo base usado na formulação de graxa. A boa compatibilidade de borracha com os óleos de base garante boa compatibilidade com a borracha das graxas produzidas.
Conclusões
Nossos resultados mostram que, ao tentar otimizar as interações entre a borracha e o óleo / graxa base, não há resposta simples, e o tipo de borracha, o plastificante e a composição óleo / graxa base são todas variáveis que precisam ser consideradas. A migração de plastificantes é uma descoberta importante e deve sempre ser levada em consideração.
Na maioria dos testes, os óleos e graxas naftênicos bem refinados produzidos a partir dele demonstraram boa compatibilidade com a borracha, comparável ou mesmo superior à de outros produtos análogos disponíveis no mercado.