Heat Aging of Rubber Compounds
Heidari, Rulis (2021)
2021
Master's Programme in Materials Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-08-24
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202108036434
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202108036434
Tiivistelmä
Thermal aging of rubber compounds can be experienced in changes of mechanical as well as chemical properties following softening, hardening, crazing, cracking, and other degradation of rubber compounds. These changes are caused by a single factor or a combination of factors, including light, ozone, oxygen, oil, moisture, heat, water, or any other solvents.
The master’s thesis aimed to study the effect of heat aging at different temperatures and aging times that affect the raw materials of rubber compounds. The master’s thesis includes both theoretical as well as experimental parts. The theoretical background, chemical structures, and reaction mechanisms of elastomers, fillers, antidegradants, and resins are studied in the theoretical part. In addition to this, mixing of rubber compounds, aging of rubber, and analysis of rubber aging are discussed as well. The experimental part of the master’s thesis dealt with the effect of raw materials on rubber aging as well as how the heating temperature affects both the physical and chemical aging of the rubber compounds. The study was done at a temperature of 90 °C, 80 °C, and 70 °C, and at different aging times. The study consisted of mechanical and chemical analyses, such as ozone test, the mass reduction of antidegradants analysis, elastomer, and filler amount analysis.
Thermo-oxidative aging of rubber compounds resulted in a growth in hardness, and modulus as well as a depletion in elongation at the break with a rise in the aging time, and the aging temperature. In this study, polymers and fillers did not show a notable impact on the heat aging of rubber compounds according to the thermogravimetric analysis (TG) curve results. According to the results of gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analyses, the amount of polymerized 2,2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline (TMQ), and N-(1,3-dimethylbutyl)-N’-phenyl-p-phenylenediamine (6PPD) antidegradants reduced logically in the rubber compounds as the aging period and temperature increased.
Based on the test results, the mechanical property test is a suitable method for analyzing the heat-aging of rubber compounds. Nevertheless, depletion of antidegradants analysis testing increased the understanding of the behavior of antidegradants in the rubber aging due to the diffusion-controlled process of rubber aging. Kumin lämpövanheneminen on seurausta kumisekoituksen mekaanisten ja kemiallisten ominaisuuksien muutoksista. Kumisekoitukset pehmenevät, kovettuvat, halkeilevat tai hajoavat kemiallisesti vanhetessaan. Nämä muutokset johtuvat joko yhdestä tekijästä tai muiden tekijöiden yhdistelmästä, mukaan lukien valosta, otsonista, hapesta, öljystä, kosteudesta, lämmöstä, vedestä tai muista kemiallisista liuottimista.
Tämän työn tarkoituksena oli tutkia raaka-aineiden vaikutusta kumisekoituksen lämpövanhenemiseen eri vanhenemislämpötiloissa ja -ajoissa. Työ sisältää sekä teoreettisen että kokeellisen osion. Teoreettisessa osiossa käsitellään kumisekoituksen lämpövanhenemiseen vaikuttavia tekijöitä ja vanhenemisen analysointia. Työn kokeellisessa osiossa tutkittiin, miten raaka-aineiden muutokset vaikuttavat kumisekoituksen fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin. Lisäksi tutkittiin suoja-aineiden määrä lämpövanhennetussa kumisekoituksessa kaasukromatografia-massaspektrometrialla (GC-MS). Kumin lämpövanhenemista tutkittiin 70 °C, 80 °C ja 90 °C lämpötiloissa käyttäen neljää eri vanhennusaikaa. Vanhenemista seurattiin analysoimalla kovuutta, venymää ja moduuli 100 %, sekä suoja-aineiden määriä.
Kumisekoitusten termo-oksidatiivinen vanheneminen johti kovuuden ja moduulin kasvuun, murtovenymän ja vetolujuuden pienenemiseen vanhentumisajan funktiona. Mekaanisten ominaisuuksien ja termogravimetrisen analyysin perusteella voitiin päätellä, että raaka-aineilla ei ollut suurta vaikutusta kumisekoitusten lämpövanhenemiseen tässä tutkimuksessa. GC-MS- analyysin perusteella voitiin päättää, että 6PPD ja TMQ suoja-aineiden määrä pieneni loogisesti kumisekoituksissa lämpötilan ja vanhentumisajan kasvaessa.
Tämän työn mekaanisten ominaisuuksien testitulosten avulla voitiin analysoida kumisekoituksen lämpövanhenemista. Toisaalta suoja-aineiden analyysi lisäsi ymmärrystä suoja-aineiden käyttäytymisestä vanhennuksessa, sillä kumin vanheneminen on seurausta diffuusiokontrolloidusta prosessista.
The master’s thesis aimed to study the effect of heat aging at different temperatures and aging times that affect the raw materials of rubber compounds. The master’s thesis includes both theoretical as well as experimental parts. The theoretical background, chemical structures, and reaction mechanisms of elastomers, fillers, antidegradants, and resins are studied in the theoretical part. In addition to this, mixing of rubber compounds, aging of rubber, and analysis of rubber aging are discussed as well. The experimental part of the master’s thesis dealt with the effect of raw materials on rubber aging as well as how the heating temperature affects both the physical and chemical aging of the rubber compounds. The study was done at a temperature of 90 °C, 80 °C, and 70 °C, and at different aging times. The study consisted of mechanical and chemical analyses, such as ozone test, the mass reduction of antidegradants analysis, elastomer, and filler amount analysis.
Thermo-oxidative aging of rubber compounds resulted in a growth in hardness, and modulus as well as a depletion in elongation at the break with a rise in the aging time, and the aging temperature. In this study, polymers and fillers did not show a notable impact on the heat aging of rubber compounds according to the thermogravimetric analysis (TG) curve results. According to the results of gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analyses, the amount of polymerized 2,2,4-trimethyl-1,2-dihydroquinoline (TMQ), and N-(1,3-dimethylbutyl)-N’-phenyl-p-phenylenediamine (6PPD) antidegradants reduced logically in the rubber compounds as the aging period and temperature increased.
Based on the test results, the mechanical property test is a suitable method for analyzing the heat-aging of rubber compounds. Nevertheless, depletion of antidegradants analysis testing increased the understanding of the behavior of antidegradants in the rubber aging due to the diffusion-controlled process of rubber aging.
Tämän työn tarkoituksena oli tutkia raaka-aineiden vaikutusta kumisekoituksen lämpövanhenemiseen eri vanhenemislämpötiloissa ja -ajoissa. Työ sisältää sekä teoreettisen että kokeellisen osion. Teoreettisessa osiossa käsitellään kumisekoituksen lämpövanhenemiseen vaikuttavia tekijöitä ja vanhenemisen analysointia. Työn kokeellisessa osiossa tutkittiin, miten raaka-aineiden muutokset vaikuttavat kumisekoituksen fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin. Lisäksi tutkittiin suoja-aineiden määrä lämpövanhennetussa kumisekoituksessa kaasukromatografia-massaspektrometrialla (GC-MS). Kumin lämpövanhenemista tutkittiin 70 °C, 80 °C ja 90 °C lämpötiloissa käyttäen neljää eri vanhennusaikaa. Vanhenemista seurattiin analysoimalla kovuutta, venymää ja moduuli 100 %, sekä suoja-aineiden määriä.
Kumisekoitusten termo-oksidatiivinen vanheneminen johti kovuuden ja moduulin kasvuun, murtovenymän ja vetolujuuden pienenemiseen vanhentumisajan funktiona. Mekaanisten ominaisuuksien ja termogravimetrisen analyysin perusteella voitiin päätellä, että raaka-aineilla ei ollut suurta vaikutusta kumisekoitusten lämpövanhenemiseen tässä tutkimuksessa. GC-MS- analyysin perusteella voitiin päättää, että 6PPD ja TMQ suoja-aineiden määrä pieneni loogisesti kumisekoituksissa lämpötilan ja vanhentumisajan kasvaessa.
Tämän työn mekaanisten ominaisuuksien testitulosten avulla voitiin analysoida kumisekoituksen lämpövanhenemista. Toisaalta suoja-aineiden analyysi lisäsi ymmärrystä suoja-aineiden käyttäytymisestä vanhennuksessa, sillä kumin vanheneminen on seurausta diffuusiokontrolloidusta prosessista.