Пластификаторы для резины: зачем нужны и как влияют на деталь

Каучук после вулканизации жёсткий ровно настолько, насколько это задают наполнитель и густота сетки. Чтобы получить мягкую деталь 50 Shore A с большим количеством техуглерода или резину, которая гнётся при −45 °C, в смесь вводят жидкость, совместимую с каучуком. Она раздвигает цепи и облегчает их движение друг относительно друга.

Пластификатор раздвигает цепи каучука и снижает твёрдость

Пластификатор работает как внутренняя смазка для молекул каучука. Он снижает вязкость сырой смеси, поэтому её легче вальцевать, выдавливать через фильеру и заполнять ею пресс-форму. В готовой резине он уменьшает твёрдость и модуль, повышает удлинение и снижает температуру, при которой резина дубеет.

У этой пользы есть цена. Прочность на разрыв с ростом дозы пластификатора падает, остаточная деформация сжатия чаще растёт, а сама жидкость остаётся подвижной внутри сетки. Технолог подбирает дозу как компромисс между мягкостью, морозом и тем, что деталь потеряет в среде.

Тип пластификатора подбирают по полярности каучука

Правило совместимости простое: полярный каучук принимает полярный пластификатор, неполярный принимает масла. Если правило нарушить, жидкость выпотевает на поверхность уже на складе, и деталь становится маслянистой на ощупь.

Ароматическое масло в EPDM или эфир в натуральном каучуке совместимы плохо, а парафиновое масло в нитрильной смеси выпотеет. Сочетания из таблицы остаются ориентиром для марок общего назначения; конкретный пластификатор называет паспорт смеси.

Дозировка у разных каучуков отличается в десятки раз

Ориентиры для марок общего назначения в массовых частях на 100 частей каучука: натуральный каучук 2–10, хлоропрен 5–20, NBR 5–30, EPDM 20–100, силикон 0–5. EPDM выделяется потому, что принимает много наполнителя и масла без расслоения, и часть каучука вообще поставляется маслонаполненной. Дешёвая EPDM-пластина с большой долей масла и мела бывает той же твёрдости, что и дорогая, но заметно хуже держит нагрев и остаточную деформацию.

Сколько пластификатора добавляют в резину?

Пластификатор в резину добавляют в количестве 2–10 массовых частей на 100 частей каучука для натурального каучука, 5–30 частей для нитрильных смесей и 20–100 частей для EPDM. Каждые 10 частей пластификатора снижают твёрдость примерно на 4–6 единиц Shore A, это ориентир для марок общего назначения. Точную дозу задаёт рецептура смеси под твёрдость, мороз и среду.

Эфиры по ГОСТ 8728-88 работают в нитрильных и хлоропреновых смесях

Сложные эфиры для резин и пластмасс выпускают по ГОСТ 8728-88, действующему стандарту на пластификаторы. В нём марки ДБФ (дибутилфталат), ДОФ (диоктилфталат), ДАФ-789, ДОА (диоктиладипинат) и ДОС (диоктилсебацинат). В нитрильных смесях фталаты дают мягкость, а адипинаты и себацинаты сильнее помогают на морозе.

Разница между ними видна в двух свойствах. ДБФ лёгкий: хорошо пластифицирует, но заметнее испаряется при нагреве. ДОФ тяжелее и летит медленнее. ДОА и ДОС смещают границу морозостойкости ниже, поэтому их ставят в смеси для уплотнений под −40…−50 °C. Эфир снижает и температуру стеклования резины, поэтому одна и та же NBR с ДОС и с ДОФ дубеет при разной температуре.

Какой пластификатор используют для резины NBR?

Для резины NBR используют сложные эфиры: дибутилфталат и диоктилфталат для общей мягкости, диоктиладипинат и диоктилсебацинат для морозостойких смесей, полиэфирные пластификаторы для деталей в горячем масле и топливе, где лёгкие эфиры вымываются. Масла в NBR почти не вводят, они плохо совмещаются с полярным каучуком и выпотевают. Доза обычно 5–30 массовых частей на 100 частей каучука.

Масло и топливо вымывают пластификатор из детали

В среде деталь одновременно впитывает жидкость и отдаёт свой пластификатор. Если среда входит в каучук сильнее, чем выходит пластификатор, деталь набухает. Если наоборот, она теряет массу, твердеет и садится. В топливе с переменным уровнем бак то заполнен, то пуст, и уплотнение раз за разом набухает и сохнет; после нескольких циклов оно выходит из размера.

Поэтому для одного каучука в разных средах выбор пластификатора разный. Для гидравлического масла при +80 °C подходит смесь с тяжёлым эфиром, для бензина лучше смесь с полимерным пластификатором или почти без него. Стойкость к среде проверяют выдержкой по ГОСТ 9.030: изменение массы и твёрдости после испытания показывает, что произошло со смесью.

Потеря пластификатора уменьшает поджатие кольца

Пример расчёта (условные цифры): в смеси NBR 20 частей пластификатора на общую массу 180 частей, это 11 % массы. В топливе из детали ушла половина, около 5,5 % массы. Если условно считать плотности пластификатора и смеси близкими, объём уменьшился на те же 5,5 %, и линейные размеры по кубическому корню сократились примерно на 1,9 %.

Кольцо сечением 5,33 мм в канавке с поджатием 20 % сжато на 1,07 мм. После потери 1,9 % сечение стало 5,23 мм, поджатие упало до 0,97 мм, то есть с 20 до 18,5 %. К этому добавляется рост твёрдости на 5–8 единиц Shore A, кольцо хуже следует за неровностями канавки. На статичном соединении это ещё держит, а на холоде, когда резина дополнительно сжимается, поджатия может не хватить.

Пластификатор переходит в соседний пластик и краску

Пластификатор уходит не только в жидкость. Если резиновое уплотнение прижато к полистиролу, АБС, поликарбонату или окрашенной поверхности, эфир мигрирует в пластик. На корпусе появляются пятна, размягчение, сетка мелких трещин. Ароматические масла из чёрной резины окрашивают светлые поверхности.

Для таких узлов подбирают смеси с малой долей пластификатора или с полимерным пластификатором, который почти не мигрирует. Если корпус светлый и виден потребителю, в заявке об этом пишут сразу, иначе подбор пойдёт только по среде.

Нагрев испаряет лёгкие эфиры быстрее тяжёлых

На воздухе при +100…+125 °C пластификатор постепенно испаряется. Лёгкий ДБФ уходит быстрее, тяжёлые эфиры и полимерные пластификаторы медленнее. Признак тот же, что и при вымывании: деталь твердеет и теряет массу, хотя каучук по температуре подходит. В испытаниях на тепловое старение это видно как рост твёрдости и падение удлинения.

Затвердевшую по этой причине деталь обратно не размягчить: керосин и прогрев, которыми пытаются вернуть резине эластичность, дают только временное набухание. Для горячих узлов смесь подбирают сразу с низколетучим пластификатором или с меньшей его дозой и более мягким каучуком.

Условия работы фиксируют в заявке, тип пластификатора в КП

Заказчик знает узел, а не рецептуру. В заявке на уплотнение записывают факты: среда и её марка, цикл смачивания и высыхания, рабочая и минимальная температура, какие пластики и краски рядом, есть ли контакт с продуктом. Это данные заказчика.

Изготовитель на их основе предлагает смесь и записывает в КП свои допущения отдельной строкой: «NBR 70 Shore A с полимерным пластификатором, выбрана под бензин с циклическим смачиванием со слов заказчика; потеря массы в конкретном топливе не проверялась». Если нужна проверка, её назначают до серии. Каучук и смесь под среду помогает выбрать подбор материала, а готовые решения для масла и топлива собраны в разделе маслобензостойких уплотнений.

Партию проверяют по массе и твёрдости после выдержки в среде

Если смесь новая или прежняя деталь твердела в работе, в приёмку добавляют выдержку образцов в рабочей среде. Сравнивают массу, объём и твёрдость до и после. Рост твёрдости с потерей массы говорит о вымытом пластификаторе, рост массы с размягчением о том, что среда входит в каучук.

Для нитрильных колец под топливо и масло изготовитель указывает в протоколе, при какой температуре и сколько часов шла выдержка. Без этих условий цифра изменения массы ничего не говорит. Пришлите образец или чертёж, назовите среду и температуру, и в КП будет видно, какая смесь предложена и что по ней подтверждено испытанием.