INTERACTION COMPLEXE ENTRE LE CAOUTCHOUC ET LES LUBRIFIANTS

- Jan 14, 2020-

Le caoutchouc et les lubrifiants doivent entrer en contact les uns avec les autres dans de nombreuses applications. Mais il y a souvent des problèmes avec ce que l'on appelle le "vieillissement" du caoutchouc: une détérioration des propriétés du caoutchouc due aux interactions entre le caoutchouc et les huiles / huiles de base impliquées.

C'est un phénomène très étudié mais généralement les études ne se penchent pas suffisamment sur les raisons pour lesquelles les deux composants sont incompatibles. Une nouvelle étude entreprise par Nynas a étudié la possibilité de mesurer le rétrécissement et le gonflement du caoutchouc, en raison de la migration de l'huile entre l'un et l'autre, comme un test relativement simple de compatibilité entre le caoutchouc et le lubrifiant. L'étude s'est concentrée sur les altérations des propriétés mécaniques et à basse température du caoutchouc lors de son contact avec un certain nombre de graisses et leurs huiles de base. Cependant, dans le processus, nous avons fait une découverte intéressante et importante: ce n'est pas seulement l'huile, mais aussi d'autres ingrédients qui migrent. Celles-ci influencent diverses propriétés mécaniques et, par conséquent, la découverte a des implications importantes lors de la tentative d'optimisation des interactions caoutchouc / graisse.

Quelqu'un pourrait faire une excellente formulation pour la graisse. Alors quelqu'un d'autre pourrait faire une excellente formulation pour le caoutchouc. Cependant, lorsque cette grande graisse entre en contact avec ce grand caoutchouc, le caoutchouc est trop souvent détruit en un rien de temps. De nombreuses études ont traité de cette question, mais nous avons constaté qu'elles ne sont pas allées assez loin dans la compréhension des causes sous-jacentes de l'incompatibilité graisse / caoutchouc.

L'interaction dont nous parlons est généralement appelée «vieillissement» du caoutchouc. Le vieillissement signifie la détérioration des propriétés dont le caoutchouc a besoin pour remplir sa fonction. Afin d'étudier ce processus, de nombreux paramètres doivent être pris en compte, tels que les propriétés de solvabilité du polymère, les plastifiants utilisés dans le caoutchouc et les propriétés de l'huile de base. Ce serait relativement simple si vous n'aviez qu'à effectuer un ou deux tests pour déterminer les effets du vieillissement sur les différents échantillons. En théorie, la mesure du gonflement et du retrait du caoutchouc devrait être suffisante. En supposant que ce qui se passe est que l'huile de base migre entre le caoutchouc et la graisse, une bonne compatibilité doit être démontrée par un rétrécissement ou un gonflement peu ou pas. Mais la vie n'est pas toujours aussi simple…

Description des tests

Une série de tests a été réalisée pour comparer la compatibilité des huiles et graisses de base avec le caoutchouc au cours du vieillissement. A cet effet, quatre huiles de base différentes ont été utilisées, toutes ayant une viscosité de 150 mm2 / s à 40 ° C. Trois huiles naphténiques de solvabilité variable et une huile paraffinique ont été comparées.

La raison d'utiliser à la fois la graisse et les huiles de base était de déterminer s'il était nécessaire d'utiliser de la graisse dans les tests de compatibilité du caoutchouc ou s'il suffisait d'effectuer les tests avec l'huile seule pour obtenir des résultats concluants.

Pour tester les interactions, les échantillons de caoutchouc ont été totalement immergés dans les huiles et graisses de base. Le vieillissement a été effectué à trois températures différentes, 80 ° C, 100 ° C et 120 ° C, et la durée du test était d'une semaine. Les changements de dureté et de poids de chacun des échantillons de caoutchouc ont été mesurés au cours de la période de l'étude.

Les mesures de dureté ont été effectuées en utilisant la méthode IRHD et les résultats enregistrés en utilisant l'échelle IRHD qui va de 0 à 100, où 0 correspond à un caoutchouc extrêmement doux. Les types de caoutchouc courants ont des valeurs IRHD de 30 à 85 degrés.

La résistance à la traction et l'allongement ont également été mesurés. La résistance à la traction est la force nécessaire pour étirer le caoutchouc à la rupture divisée par la section transversale de l'éprouvette. Les résultats sont exprimés en MPa. L'allongement est la mesure de la capacité du caoutchouc à s'étirer sans se casser, mesurée en pourcentage de la longueur d'origine.

Pour les échantillons de caoutchouc vieillis dans des huiles de base à 100 ° C, des mesures de la température de transition vitreuse, Tg, ont également été effectuées. Tous les polymères finiront par se rigidifier jusqu'à un état de verre amorphe rigide (et fragile) lorsque la température est abaissée à un niveau connu sous le nom de température de transition vitreuse du polymère. Pour le caoutchouc, cette température indique la limite de service à basse température.

Résultats

Les résultats ont montré que, dans des conditions identiques, le caoutchouc chloroprène (CR) gonflait plus que le caoutchouc nitrile-butadiène (NBR) (figures 1 et 2). En fait, le caoutchouc NBR a montré un rétrécissement dans la plupart des cas. Les huiles à pouvoir solvant plus élevé, par exemple les huiles naphténiques à haute teneur aromatique, provoquent plus de gonflement pour le caoutchouc CR, mais moins de retrait pour le caoutchouc NBR, que les huiles à pouvoir solvant inférieur, par exemple les huiles paraffiniques à faible arôme. Ainsi, l'huile paraffinique a provoqué un gonflement minimum dans le cas du caoutchouc CR, mais un retrait maximum dans le cas du caoutchouc NBR.

Cela est tout à fait logique lorsque l'on considère la similitude des propriétés de solvabilité des huiles et des caoutchoucs. En général, plus la solvabilité de l'huile est proche de celle du caoutchouc, plus la quantité d'huile pouvant être piégée par le caoutchouc est élevée. Si la solvabilité est exprimée par les valeurs des paramètres de solubilité d'Hildebrand, le caoutchouc chloroprène et les huiles naphténiques se révèlent être beaucoup plus proches les uns des autres que le caoutchouc nitrile-butadiène et les huiles naphténiques, et l'inadéquation de la solvabilité augmente encore lors du passage des huiles naphténiques aux huiles paraffiniques.

En regardant les mesures de dureté et de résistance à la traction, la tendance suivante devient évidente: le gonflement est toujours associé à certaines pertes de dureté et de résistance à la traction (figures 3 et 4).

De plus, nos expériences ont montré qu'un contact prolongé avec des graisses et des huiles de base affecte également de manière significative la température de transition vitreuse (Tg) du caoutchouc. Du point de vue de l'utilisateur, la Tg de caoutchouc est un paramètre important qui détermine la température la plus basse en dessous de laquelle le caoutchouc ne peut pas être utilisé car il perd son élasticité. La présence de plastifiant est connue pour abaisser la température de transition vitreuse Tg (de la même manière que la présence d'un soluté abaisserait normalement le point de congélation des solutions). Par conséquent, une augmentation de la Tg des caoutchoucs vieillis dans l'huile de base et les graisses indique une redistribution du plastifiant entre le caoutchouc et les phases huileuses: l'huile migre dans le caoutchouc et les plastifiants initialement présents dans le caoutchouc migrent.

Alors, comment éviter cela? Une façon suggérée de le résoudre était de niveler les différences de concentration en ajoutant les plastifiants en caoutchouc correspondants, tels que le dioctyladipate, aux formulations de graisse. D'autres alternatives consistaient à utiliser un plastifiant plus polaire, tel que le phosphate d'aryle alkylé, ou le remplacement partiel du dioctyladipate par de l'huile naphténique dans les formulations de caoutchouc. Ces possibilités ont été étudiées mais aucune n'a été totalement couronnée de succès. La substitution d'une partie du plastifiant polaire (DOA) dans le caoutchouc par une huile naphténique donne initialement une petite augmentation de la température de transition vitreuse (Tg) mais a peu d'effet sur le résultat des tests de vieillissement du caoutchouc; et les caoutchoucs plastifiés avec des huiles naphténiques et avec des esters se dégradent de la même manière. Inversement, il a été démontré que l'ajout de DOA aux formulations d'huile de base ou de graisse améliore les propriétés à basse température du caoutchouc (en abaissant la Tg) mais a un effet néfaste sur les propriétés mécaniques telles que la dureté, la résistance et l'indice de compatibilité des joints. Les données expérimentales correspondantes sont visibles sur les figures 5 à 8.

Les résultats des tests suggèrent de manière concluante que les interactions entre la graisse et le caoutchouc sont largement déterminées par les propriétés de l'huile de base utilisée dans la formulation de la graisse. Une bonne compatibilité caoutchouc des huiles de base garantit une bonne compatibilité caoutchouc des graisses produites à partir de celles-ci.

Conclusions

Nos résultats montrent que, lorsque l'on essaie d'optimiser les interactions entre le caoutchouc et l'huile / la graisse de base, il n'y a pas de réponse simple, et le type de caoutchouc, le plastifiant et la composition de l'huile / de la graisse de base sont toutes des variables qui doivent être prises en compte. La migration des plastifiants est une découverte importante et doit toujours être prise en considération.

Dans la majorité des tests, les huiles naphténiques bien raffinées et les graisses qui en sont issues ont démontré une bonne compatibilité avec le caoutchouc, comparable ou même supérieure à celle d'autres produits analogues disponibles sur le marché.