El Hombre y la Máquina ISSN: 0121-0777 maquina@uao.edu.co Universidad Autónoma de Occidente Colombia COSSIO URÁN, EDWIN; GIRALDO VÁSQUEZ, DIEGO; CASTAÑO, NELSON Efectos del envejecimiento térmico y del contenido de negro de humo en la resistencia al desgaste abrasivo en seco del caucho natural El Hombre y la Máquina, núm. 36, enero-junio, 2011, pp. 115-122 Universidad Autónoma de Occidente Cali, Colombia Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=47821598011 Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto http://www.redalyc.org/revista.oa?id=478 http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=47821598011 http://www.redalyc.org/comocitar.oa?id=47821598011 http://www.redalyc.org/fasciculo.oa?id=478&numero=21598 http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=47821598011 http://www.redalyc.org/revista.oa?id=478 http://www.redalyc.org 115 Efectos del envejecimiento térmico y del contenido de negro de humo en la resistencia al desgaste abrasivo en seco del caucho natural EDWIN COSSIO URÁN *1,2 DIEGO GIRALDO VÁSQUEZ 2 NELSON CASTAÑO 2,3 * edwin.cossio@mineros.com.co 1 Mineros S.A., Medellín, Colombia 2 Dpto. de Ingeniería Metalúrgica y de Materiales, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, Colombia. Resumen Se estudió la resistencia a la abrasión de una mezcla de caucho natural y SBR, la cual fue reforza- da en tres diferentes contenidos de negro de humo (25, 50 y 75 PHR). Los cauchos fueron envejecidos durante 72 horas en tres condi- ciones de temperatura diferentes (temperatura ambiente, 70 ºC y 100 ºC). Se fabricaron probetas con las tres mezclas en las tres condiciones de envejecimiento, a las cuales se efectuaron pruebas normalizadas de tensión, compre- sión, compression-set, densidad y dureza. También se realizó una prueba de abrasión en seco según negro de humo y las condiciones las propiedades mecánicas de las 116 mezclas en las pruebas de tensión y dureza, acorde con los resultados encontrados en la literatura. Sin embargo, su efecto en la resistencia al desgaste y en los mecanismos de desgaste detectados en las electrónica de barrido (MEB) son objeto de discusión en el presente - cies desgastadas mediante MEB permitió determinar que el meca- nismo de desgaste predominante es el de formación de ondas, aunque se encontraron evidencias aisladas de los mecanismos de formación de rollos y formación de partículas de caucho que son desprendidas de Palabras claves: Mezclas de caucho natural, abrasión de cauchos, tribología de cauchos. Abstract The wear strength of a Na- tural Rubber (NR) and Styrene- Butadiene Rubber (SBR) blend was studied. The blend was rein- carbon black (25, 50 y 75 PHR). The rubber was thermal agied (room temperature, 70 ºC y 100 ºC) during 72 h.The Test speci- men was made with the blens and after the specimens were thermal The tension, hardness, compres- sion-set, compression and densi- ty test was carried out according was carried out a dry abrasion standard. The mechanical pro- perties, tension and hardness, of the blens were affected by the carbon black (CB) adition and the aging condition, agree to the found literature. Although, its effect over wear strenght and the wear mechanism found on the abraded surface by scanning electron microscopy (SEM) are studied in the presente articule. The abraded surface analysis by scanning electron microscopy (SEM) showed that the main wear mechanism was the wear by formed ridges, although also was found wear by roll formation and small particules detached from the abraded surface. Keywords: Rubber blends, rubber wear, rubber tribology. Introducción El desarrollo de nuevos materia- les aditivos y procesos en la industria del caucho ha generado la incursión de este tipo de materiales en aplica- ciones cada vez más exigentes. Un claro ejemplo es el uso de componen- tes fabricados en caucho sometidos a desgaste abrasivo en industrias como la minera, el sector transporte, el calzado, por citar algunas de las más dinámicas. Por estas razones, es pertinente avanzar en la comprensión de su comportamiento mecánico y tribológico ya que diversos factores, como la cantidad de negro de humo usado como carga reforzante y las condiciones de envejecimiento en compuestos de caucho vulcanizado de los parámetros determinantes en la respuesta mecánica y tribológica En condiciones abrasivas, los cauchos pueden desgastarse debido a mecanismos tales como microcorte, formación de ondas, formación de así como la existencia de fallas sub- en el caucho por suciedad y defec- que han abordado el fenómeno de desgaste abrasivo de cauchos vul- canizados han determinado que durante el desgaste abrasivo por deslizamiento la energía requerida Efectos del envejecimiento térmico y del contenido de negro de humo en la resistencia al desgaste abrasivo en seco del caucho natural 117 para generar la rotura del material juegue un papel fundamental en la resistencia al desgaste; sin embargo, otros fenómenos químicos y térmi- cos existentes durante el contacto caucho-contracuerpo así como la presencia de partículas reforzantes y la interacción entre los diversos componentes de una mezcla también respuesta del material, de tal manera que a la fecha no es posible encontrar una relación clara entre las propie- dades mecánicas y la resistencia al desgaste de este tipo de compuestos. Otro aspecto relevante se relacio- na con el papel del envejecimiento térmico al cual se encuentran some- tidos los cauchos durante su servicio, pues si bien es conocido que en el envejecimiento se presentan cambios tales como la formación de nuevos enlaces o el rompimiento de los en- universalmente aceptado sobre el efecto del envejecimiento en las pro- piedades tribológicas de los cauchos. En este marco de referencia, el trabajo aquí presentado estudia una mezcla de SBR y caucho natural re- forzada con tres cantidades diferentes de negro de humo, las cuales fueron sometidas a tres temperaturas distin- entre estos factores y las propiedades mecánicas y tribológicas en condicio- nes predominantemente abrasivas. Descripción del trabajo Se analizaron las condiciones de trabajo de cauchos sometidos a desgaste abrasivo en una empresa extractora de oro de aluvión; con esta información se adelantó una establecer una formulación objeto de estudio, cantidades a utilizar de negro de humo como carga refor- zante, condiciones de vulcanización y temperaturas de envejecimiento. Se eligió una mezcla de SBR con caucho natural, formulación ampliamente usada en componentes sometidos a desgaste abrasivo por la combina- ción de propiedades de resistencia al desgarre y resistencia a la fatiga que ofrece. En las Tablas 1 y 2 se mues- tran la formulación, las cantidades de negro de humo y las condiciones de envejecimiento seleccionadas. Tabla 1. Formulación utilizada Componente Partes Componente Partes SBR 1712 Oxido de zinc 5,00 Caucho Natural 50,00 Acido esteárico 1,00 N-550 Ver Tabla 2 TMTD 1,20 TMQ 2,00 MBT 2,00 MBTS 2,00 AZUFRE 0,50 Tabla 2. Carga de negro de humo utilizada y condiciones de envejecimiento para las muestras. Carga de negro de humo Temperatura de envejecimiento durante 72 horas (°C) Tipo de negro de humo Carga (PHR) N-550 25 T ambiente 50 70 75 100 Los tres tipos de mezclas fueron preparadas en un molino de rodi- llos y se obtuvieron sus reometrías según la norma ASTM D5289 a se definieron las condiciones de vulcanización y se vulcanizaron las distintas probetas por medio de moldes con cavidades con las geometrías estandarizadas. El envejecimiento de las probe- el envejecimiento de las muestras vulcanizadas después de 24 horas de salir de la plancha de vulcanización, acondicionando el horno a la tem- peratura de envejecimiento con an- terioridad. Las piezas se dejaron en reposo después del envejecimiento Efectos del envejecimiento térmico y del contenido de negro de humo en la resistencia al desgaste abrasivo en seco del caucho natural 118 - nicas fueron realizadas dentro de las extraído las probetas del horno. Las tres mezclas fueron ana- lizadas mediante espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) en un equipo marca Perkín Elmer modelo Spectrum One, a 24°C, ocho barridos con una reso- lución de 4 cm-1 dentro de un rango de número de onda (n) de 4000 a 450 cm-1. También se efectuó un análisis de termo-gravimetría (TGA) en un equipo Q500 TA instruments dotado de un detector DTGS; con ni- trógeno como gas inicial se sometió la muestra a una rampa de 20°C/min hasta 550°C, luego se cambió el gas a oxígeno y se dejó la muestra cinco minutos sin variar la temperatura, para luego aplicar una rampa de 10 °C/min hasta 800 °C. A cinco muestras de caucho de cada condición de ensayo se le efectuaron pruebas de tensión bajo - po Autograph AG-250 kNG marca Shimadzu, aplicando una velocidad de desplazamiento de 500 mm/ min hasta la fractura. Se determinó la densidad bajo la norma ASTM D792 con el uso de una balanza analítica AND – HR 200 y la du- reza Shore A bajo la norma ASTM D2240, con un durómetro manual marca CEAST. Todas las pruebas se realizaron dentro de las condiciones de temperatura y humedad relativa - mas. Es pertinente indicar que todas las pruebas mecánicas se ejecutaron terminado el envejecimiento. Los materiales fueron sometidos a pruebas de desgaste abrasivo en un abrasímetro marca Zwick modelo - el recorrido total fue de 40 m bajo una carga de 10 N, utilizando papel el cual cuenta por partículas abrasivas de óxido de aluminio. De cada prueba se realizaron tres repeticiones y se registró la pérdida de volumen a partir de la pérdida de masa, al emplear una balanza modelo Mettler AE 200. Las con microscopía electrónica de barrido en un equipo JEOL JMS-AX505HA. Resultados Los resultados de FTIR y TGA de los tres materiales se muestran en la Figura 1. El análisis por FTIR muestra que el negro de humo no afectó el espectro obtenido para los compo- nentes elastoméricos de la mezcla y la correlación entre los espectros de las diferentes mezclas utilizadas, y mezclas cuentan con tres diferentes cantidades de negro de humo. Los resultados obtenidos a partir de los ensayos de tensión se mues- a) b) Figura 1. Curvas de FTIR yb TGA; a) Análisis por FTIR del material de las mezclas luego de la extracción del negro de humo. b) Análisis por TGA de las mezclas. Efectos del envejecimiento térmico y del contenido de negro de humo en la resistencia al desgaste abrasivo en seco del caucho natural 119 Tabla 3. Resultados de resistencia a la tensión y deformación a la rotura Carga (PHR) Resistencia a la tensión (mpa) Temperatura de envejecimiento (°C) Temperatura de envejecimiento (°C) TA 70 100 TA 70 100 25 4.52 ± 0.04 50 75 Los resultados de los ensayos de tensión muestran que el contenido de negro de humo incrementa la re- sistencia a la tracción y la rigidez de las muestras, en las tres condiciones de envejecimiento. La temperatura de envejecimiento incrementa la rigidez de las tres formulaciones, pero en menor grado, a medida que se aumenta el contenido de negro de humo. En las muestras con 25 y 50 PHR la temperatura de enveje- cimiento aumentó la resistencia a la tracción de las muestras, mientras que con 75 PHR el efecto fue el contrario. La deformación en la rotura fue similar en las muestras con 25 y 50 PHR en las tres condiciones de envejecimiento, pero la muestra con 75 PHR sí vio disminuida su capacidad de deformación hasta la rotura en las tres condiciones de envejecimiento. El efecto de la tem- peratura de envejecimiento en esta capacidad de deformación de cada que sólo en el material con 70 PHR envejecido a 70 °C se presentó un incremento en la deformación a la rotura, comparado con el enveje- cimiento a temperatura ambiente y 100 °C . Figura 2. Efecto de la adición de negro de humo y la temperatura de envejecimiento en las propiedades mecánicas a tensión de las tres formulaciones de caucho. Los resultados de la densidad y dureza de los materiales evaluados se observan en la Tabla 4. Como era de esperarse, la den- sidad y la dureza del caucho au- mentan con el contenido de negro de humo. El envejecimiento no afectó la densidad del material, pero sí incrementó la dureza en 5 Tabla 4. Resultados de densidad y de dureza. Carga (PHR) Densidad (gr/cm3) Dureza (Shore A) Temperatura de envejecimiento (°C) Temperatura de envejecimiento (°C) TA 70 100 TA 70 100 25 1.07 ± 0.00 1.07 ± 0.00 1.07 ± 0.00 40 ± 1 42 ± 1 45 ± 1 50 1.14 ± 0.01 52 ± 1 58 ± 1 75 1.17 ± 0.02 1.18 ± 0.00 1.18 ± 0.00 Efectos del envejecimiento térmico y del contenido de negro de humo en la resistencia al desgaste abrasivo en seco del caucho natural 120 las durezas de las muestras enveje- cidas a temperatura ambiente con las envejecidas a 100 °C. de las pruebas de abrasión. en ocho de las nueve condiciones, el contenido de negro de humo tiene el efecto de disminuir la pérdida de material por desgaste abrasivo, es decir, aumenta la resistencia al des- gaste del compuesto; sin embargo, la muestra cargada con 75 PHR de negro de humo envejecida a 100 °C presenta una menor resistencia al desgaste que la muestra con 50 PHR envejecida en las mismas con- diciones. El efecto de la temperatura de envejecimiento en la resistencia al desgaste del compuesto depende de la cantidad de carga reforzante en el compuesto: los materiales con 25 y 50 PHR mejoran su resis- tencia al desgaste abrasivo cuando se incrementa la temperatura de envejecimiento, mientras que en el compuesto con 75 PHR el efecto es el opuesto, es decir, el compuesto disminuye su resistencia al desgaste con el aumento en la temperatura de envejecimiento. En las Figuras 4 y 5 se observan los resultados de la microscopía electrónica de barrido (MEB) rea- lizada a las muestras luego de las pruebas de desgaste abrasivo. En las muestras envejecidas a temperatura ambiente, para las tres formulaciones, así como las mues- tras con 50 y 75 PHR envejecidas a 70 °C y la muestra con 75 PHR envejecida a 100 °C, se observan rollos aislados en la superficie, como evidencia de que el mecanis- mo de formación de rollos también se presenta en el tribosistema. En la Figura 4, la fotografía c) muestra con detalle un rollo encontrado en Figura 3. Efecto de la cantidad de negro de humo y la temperatura de envejecimiento en la pérdida de volumen por desgaste abrasivo. a) 50PHR – 70 °C h) 25 PHR – 100 °C c) 75 PHR – Temperatura ambiente Figura 4. Efectos del envejecimiento térmico y del contenido de negro de humo en la resistencia al desgaste abrasivo en seco del caucho natural 121 En las muestras desgastadas también se aprecian partículas de caucho que fueron desprendidas pero que aún permanecen en las imagen a) de la Figura 4. Igualmen- te se detectan partículas pequeñas aleatoriamente distribuidas que corresponden a elementos disper- sos provenientes de los aditivos utilizados, como las partículas que se aprecian en la imagen b) de la Figura 4. d) 25 PHR – 70 °C e) 50 PHR – 70 °C f) 75 PHR – 70 °C g) 25 PHR – 100 °C h) 50 PHR – 100 °C i) 75 PHR – 100 °C Figura 5. En la Figura 5 se puede obser- var que el mecanismo de desgaste común en todas las condiciones de ensayo es la formación de ondas, aunque la cantidad de ondas y la profundidad de las mismas varía entre condiciones de ensayo. Las muestras con 25 PHR envejecidas a temperatura ambiente y a 70° C muestran menos ondas en su super- y 75 PHR y que la muestra con 25 PHR envejecida a 100 °C. De igual a) 25 PHR – Temperatura ambiente b) 50 PHR – Temperatura ambiente c) 75 PHR – Temperatura ambiente Efectos del envejecimiento térmico y del contenido de negro de humo en la resistencia al desgaste abrasivo en seco del caucho natural 122 de los tres materiales envejecidos a 100 °C presentan ondas menos materiales envejecidos a temperatu- ra ambiente y a 70 °C. Discusión El efecto del negro de humo en las mezclas de caucho natural y SBR fue el aumento de la resis- tencia a la tensión, de la rigidez y de la dureza Shore A, resultados que concuerdan con lo encontrado en la literatura. La temperatura de envejecimiento tuvo como efecto el aumento de la dureza Shore A y la rigidez en todas las mezclas y en todas las condiciones de re- forzamiento, aunque no sucedió igual con la resistencia a la tensión ya que en las mezclas con 75 PHR de negro de humo el efecto de la temperatura de envejecimiento fue el de disminuir la resistencia a la tracción, es decir, que en las formu- laciones con 75 PHR el efecto fue de degradación, mientras que en las mezclas con 25 PHR y 50 PHR el efecto fue precisamente el contrario. Dado que para las tres mezclas se obtuvieron las curvas reométricas y fueron vulcanizadas de acuerdo con esos resultados, la explicación para el comportamiento observado con el envejecimiento debe basarse en la mayor cantidad de partículas de negro de humo usadas como carga reforzante, pues fue el único parámetro variado. Es posible que la matriz polimérica constituida por la mezcla de SBR y caucho natural no logre compatibilizarse adecua- damente con esa cantidad de cargas reforzantes y que deban efectuarse variaciones en la formulación para buscar mejorar este comportamien- se deben efectuar nuevos trabajos experimentales que están por fuera del alcance de este trabajo. El análisis de los resultados ob- tenidos en las pruebas de desgaste dos muestras con mejor resistencia al desgaste son las dos muestras con la mayor resistencia a la tracción, pero este comportamiento no se observa para las demás muestras. La dureza Shore A tampoco ofrece una los materiales con mejor resistencia al desgaste, pues no hay una co- rrelación entre ambos parámetros. Basados en el criterio de energía requerida para la rotura, el cual esta- blece que en los cauchos sometidos a desgaste abrasivo la energía que se necesita ejercer sobre un mate- rial para producir su rotura en el ensayo de tracción es proporcional a su resistencia al desgaste abrasivo por la similitud con el proceso de desgarramiento, es posible observar que en el caso de los materiales es- tudiados en este trabajo este criterio no ofrece una relación válida. Es necesario entonces ahondar en los mecanismos de desgaste presentes en este tipo de sistemas caucho- partículas abrasivas deslizantes, evaluando otras interacciones de tipo químico y térmico, si bien en los ensayos realizados en este traba- jo se usaron condiciones abrasivas controladas y los ensayos tuvieron una corta duración, lo cual no debe - cativamente. Además, las energías requeridas para la formación de rollos y de partículas de caucho no energía de rotura, por lo tanto es necesario avanzar en la construc- ción y evaluación de modelos que consideren estos fenómenos. Conclusiones En los ensayos realizados no se consideró una relación directa entre la dureza Shore A, la rigidez y la resistencia a la tracción de los cau- chos con su resistencia al desgaste abrasivo. Sólo pudo observarse una relación directa en los dos mate- riales con las mejores propiedades mecánicas y en el material con las propiedades mecánicas más bajas, pero en las otras seis condiciones de ensayo hubo resultados diversos. El mecanismo de desgaste predominante fue la formación de ondas, aunque se presentaron evidencias de formación de rollos y desprendimiento de partículas de caucho. Estos mecanismos deben ser influyentes en la desviación observada de la dependencia del desgaste abrasivo con la energía de rotura, por lo cual es necesario efectuar cambios en el concepto que involucren esos otros mecanis- mos de desgaste, y así prever con componentes de caucho sometidos a desgaste abrasivo. (2007). “Effect of soft carbon black on tribology of deproteinised and Mostafa A., Abouel-Kasem A., Bayoumi, M. R., El-Sebaie, M. loading on thermal aging resis- tance of SBR and NBR rubber compounds under different aging temperature. Materials & Design Coran, Aubert Y., Handbook of Plastics Technologies, Chapter 4 Elastomers. Digital Engineering Library @ McGraw-Hill (www. digitalengineeringlibrary.com) Copyright © 2004 The McGraw- Hill Companies. Baker Anne-Marie M. Handbook of Plastics, Elastomers, and Com- posites. Chapter 1 Thermoplastics. Digital Engineering Library @ McGraw-Hill (www.digitalengi- neeringlibrary.com) Copyright © 2004 The McGraw-Hill Compa- nies. Efectos del envejecimiento térmico y del contenido de negro de humo en la resistencia al desgaste abrasivo en seco del caucho natural