Tribologiczne konsekwencje segregacji powierzchniowej alifatycznych alkoholi z wulkanizatów kauczuku butadienowo-styrenowego

• Autorzy: Głąb P. , Bieliński D.M.

Warianty tytułu

EN

Tribological consequences of the surface segregation of aliphatic alcohols from styrene-butadiene rubber vulcanisates

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł dotyczy wpływu zjawiska segregacji powierzchniowej małocząsteczkowych składników mieszanki na charakterystykę tribologiczną gumy. Segregacja powierzchniowa alkoholi alifatycznych (od dodekanolu aż do dokozanolu) w nadtlenkowych wulkanizatach kauczuku butadienowo-styrenowego (SBR) była badana za pomocą spektroskopii w podczerwieni, wykorzystującej całkowite wewnętrzne odbicie (FTIR-IRS). Kinetyki migracji obliczano na podstawie widm FTIR, stosując metodę elementów skończonych, zaproponowaną wcześniej do analizy zjawiska dyfuzji [L. 7]. Z przeprowadzonych badań wynika, że szybkość wykwitania alkoholu wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomów węgla obecnych w jego cząsteczce, osiągając maksimum dla pentadekanolu, po czym obniża się. Wzrost szybkości migracji małocząsteczkowego dodatku w SBR jest związany z obniżeniem się granicy jego rozpuszczalności w kauczuku, który wynika ze wzrostu długości łańcucha alifatycznego. Ten ostatni jest odpowiedzialny za obniżoną mobilność cząsteczek alkoholi w kauczuku. Obniżenie granicy rozpuszczalności sprzyja wzrostowi siły napędowej dyfuzji, podczas gdy obniżenie ruchliwości cząsteczek powoduje efekt odwrotny. Zaprezentowano metodę analizy energii rozpraszanej w procesie tarcia przez materiał próbki, opartą na uproszczonym modelu sprężyny. Metoda nie umożliwia dokładnego obliczenia ilości energii rozproszonej w badanym materiale podczas testu tarcia. Dostarcza natomiast informacji na temat strat energetycznych, które można zastosować w celu porównania materiałów. Współczynnik tarcia wułkanizatów SBR maleje wraz ze wzrostem grubości wykwitów alkoholi alifatycznych, co jest przejawem zjawiska smarowania. Jeśli smarowanie jest efektywne, umożliwia znaczne obniżenie składowej histerezyjnej siły tarcia. Jednakże, jeśli wykwit uformowany na powierzchni wulkanizatu nie jest wystarczająco gruby, aby wyeliminować odkształcenia objętościowe, tarcie materiału może wzrosnąć w wyniku plastyfikacji matrycy kauczuku. Oznacza to, że segregacja powierzchniowa powoduje również zmianę właściwości objętościowy wulkanizatu SBR, która jest konsekwencją istnienia powierzchniowego gradientu stężenia alkoholu w matrycy kauczuku. Jego obecność może w znaczący sposób wpływać na zachowanie się gumy w procesie tarcia.

EN

Paper concerns an influence of the surface segregation of low molecular weight components of rubber mix on tribological characteristic of vulcanisates. The surface segregation of aliphatic alcohols (from dodecanol up to docosanol) from peroxide vulcanisates of styrene-butadiene rubber (SBR) was investigated by infrared internal reflection spectroscopy (FTIR-IRS). Kinetics of migration were calculated from FTIR data, applying a final element method, formely used for analysis of diffusion phenomenon in rubber [L. 7]. From results obtained it follows that blooming rate of alcohol increases with an increase of carbon atoms present in its molecule, reaching maximum for pentadecanol, and afterwards decreases. The increase of migration rate is a result of decrease of its solubility limit in rubber with an increase of aliphatic chain length. The latter is responsible for a decrease of mobility of alcohol molecules in rubber. A decrease of the solubility limit facilitates an increase of a driving force for diffusion, whereas a decrease of molecules mobility causes an opposite effect. Method for energy dissipation analysis during friction, based on a simplified spring-like model, has been presented. The method does not allow to calculate an exact amount of energy dissipated in a material studied during friction test. However, it provides a useful parameter of energy lost, applicable for samples comparison. The coefficient of friction of SBR vulcanisates decreases with an increase of an alcohol bloom thickness, what is the result of lubrication phenomenon. If solid lubrication of alcohol is efficient the hysterical component of friction force could be significantly reduced. However, if an alcohol bloom being formed on the surface of vulcanisate is not thick enough to eliminate bulk deformations of the material, friction can be higher due to plastification of the rubber matrix. It means that the surface segregation causes also changes to the bulk properties of SBR vulcanisates, being the result of the surface gradient of alcohol concentration in the rubber matrix. Its presence can strongly influence tribological performance of the rubber sample.

Słowa kluczowe

PL

guma; segregacja powierzchniowa; tarcie; energia rozpraszana

EN

rubber; surface segregation; friction; dissipated energy

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2005
• Tom: nr 1
• Strony: 37--54
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Głąb P.

• Politechnika Łódzka, Instytut Technologii Polimerów i Barwników, ul. Stefanowskiego 12/16, 90-924 Łódź

autor

Bieliński D.M.

• Politechnika Łódzka, Instytut Technologii Polimerów i Barwników, ul. Stefanowskiego 12/16, 90-924 Łódź

Bibliografia

• 1. Pusha S.A., Goonetilleke P.: Diffusion of Antiozonants, Rubb. Chem. Technol., 68, 1995,705-716.
• 2. Person B.: Theory of Rubber Friction and Contact Mechanics, J. Chem. Phys., 115, 2001, 3840-3861.
• 3. Bieliński D., Głąb P., Ślusarski L., Boiteux G., Chapel J.-P.: Surface migration of carboxylic acid in styrene-butadiene rubber and its tribological consequences, J. Appl. Polym. Sci. 86, 2002, 3368-3376.
• 4. http://physchem.ox.ac.uk/MSDS/DO/l-dodecanol.html
• 5. Mosselman C., Mourik J., Dekker H.: Enthalpies of phase change and heat capacities of some long-chain alcohols. Adiabatic semi-microcalorimeter for studies of polymorphism, J. Chem. Thermodynam., 6, 1974, 477-487.
• 6. http://search.chemexper.com/
• 7. Bieliński D., Głąb P., Ślusarski L.: FTIR internal reflection study of migration and surface segregation of carboxylic acids in styrene-butadiene rubber, Polimery, 49, 2004, 41-46.
• 8. http://www.qsl.net/on7yd/136narro.htm#FFT
• 9. Orear J.: „Fizyka" tom 1, WNT, Warszawa 1993, s. 102.
• 10. Whitehead L., Mossman M.: Numerically Efficient Method for Modeling Elastomeric Hysteresis, Journal of Elastomers and Plastics, 31, 1999, 13-37.
• 11. Hansen C.M.: 50 Years with solubility parameters - past and future, Progress in Organic Coatings, 51, 2004, 77-84.
• 12. van Krevelen D.W.: Properties of Polymers, Elsevier, Oxford 1997, s. 212.
• 13. Dimauro P.J., Paris H.L., Fath M.A.: Wax Protection, Rubb. Chem. Technol., 52, 1979, 973-984.
• 14. Bieliński D., Dobrowolski O., Głąb P., Ślusarski L.: Wpływ stopnia dyspersji i dystrybucji sadzy na właściwości mechaniczne i tribologiczne gumy, Tribologia, 197, 2004, 31-40.