7 powodów, dla których warto poinformować o zjawisku starzenia się uszczelek gumowych

Powszechnym zjawiskiem w przypadku wyrobów gumowych jest wzrost twardości po ich pozostawieniu lub użytkowaniu przez pewien czas, zwłaszcza gdy są wystawione na działanie powietrza lub poddane zewnętrznym zmianom ciśnienia i temperatury. Proces ten wynika głównie ze zmian właściwości fizykochemicznych gumy, które można przypisać następującym aspektom: utlenianiu, zwiększonemu usieciowaniu, ograniczonemu ruchowi segmentów, migracji dodatków oraz wpływowi czynników środowiskowych. Następnie szczegółowo przeanalizuję przyczyny z tych aspektów.

Reakcja utleniania

Uszczelki gumowe podlegają reakcjom utleniania pod wpływem powietrza, zwłaszcza zawierającego tlen i ozon. Utlenianie jest jedną z głównych przyczyn starzenia się gumy, podczas którego zmienia się struktura molekularna gumy, zwiększając jej twardość. Do głównych mechanizmów reakcji utleniania zalicza się:

- Wolnorodnikowa reakcja łańcuchowa: Uszczelki gumowe pod wpływem tlenu mają skłonność do generowania wolnych rodników, które łączą się z tlenem tworząc rodniki nadtlenkowe, co z kolei prowadzi do pękania łańcucha i reakcji sieciowania, co skutkuje zmianami w strukturze gumy. W miarę wzrostu usieciowania ruch łańcuchów molekularnych jest ograniczony, a guma wykazuje wyższą twardość.

- Wpływ ozonu: Ozon ma silniejszy szkodliwy wpływ na uszczelki gumowe, powodując nie tylko pękanie łańcucha, ale także produkty utleniania bezpośrednio w cząsteczkach gumy. Te produkty utleniania zwiększają kruchość gumy, która wykazuje wyższą twardość.

Zwiększone sieciowanie

Sieciowanie odnosi się do tworzenia struktury sieciowej pomiędzy cząsteczkami gumy poprzez wiązania chemiczne, które mogą poprawić właściwości mechaniczne gumy i nadać jej wyższą twardość. Wyroby gumowe są zwykle sieciowane podczas procesu produkcyjnego za pomocą procesów takich jak wulkanizacja, ale stopień usieciowania będzie jeszcze bardziej wzrastał w trakcie użytkowania. Wynika to głównie z następujących czynników:

- Fotoakcja: Światło UV sprzyja tworzeniu się wolnych rodników w cząsteczkach gumy, które z kolei sprzyjają sieciowaniu pomiędzy cząsteczkami gumy. Wyroby gumowe, które przez długi czas były wystawione na działanie promieni słonecznych, będą miały zwiększoną twardość w wyniku zwiększonego usieciowania.

- Starzenie termiczne: Rosnące temperatury przyspieszają ruch cząsteczek gumy, zwiększając częstotliwość zderzeń między cząsteczkami i ułatwiając tworzenie nowych wiązań chemicznych. Działanie termiczne nie tylko przyspiesza reakcję utleniania, ale także wspomaga reakcję sieciowania, która ostatecznie prowadzi do wzrostu twardości gumy.

- Sieciowanie oksydacyjne: Jak wspomniano wcześniej, reakcje utleniania mogą również prowadzić do zwiększonego usieciowania cząsteczek gumy, szczególnie w obecności tlenu i wysokich temperatur, gdzie jest bardziej prawdopodobne, że pomiędzy cząsteczkami gumy utworzą się wiązania sieciujące.

Wzrost usieciowania znacznie zwiększa twardość gumy, ponieważ sieciowanie ogranicza ruch cząsteczek gumy, czyniąc materiał gumowy mniej elastycznym. Dlatego też stwierdzamy, że produkty gumowe po pewnym czasie użytkowania stają się twarde i łamliwe.

Ograniczony ruch segmentowy

Miękkość materiałów gumowych wynika głównie ze swobodnego ruchu ich łańcuchów molekularnych, jednak po okresie użytkowania ruch tego segmentu może być ograniczony z następujących powodów:

- Ograniczenia sieciowania: Wzrost usieciowania bezpośrednio ogranicza swobodny ruch łańcuchów molekularnych gumy, a struktura usieciowanej gumy jest bliższa strukturze stałej, a stopień swobody segmentów łańcucha maleje, co skutkuje wzrostem twardości.

- Higroskopijny i wysuszający: Niektóre materiały gumowe mogą wchłaniać wilgoć w wilgotnym środowisku i tracić ją w suchym środowisku. Zmiana wilgotności powoduje zmianę ruchu segmentów łańcucha wewnątrz materiału gumowego, co wpływa na jego miękkość. Przykładowo, gdy wilgotność spada, segmenty materiału gumowego są bardziej wyrównane, co objawia się wzrostem twardości.

- Zamrażanie: W niskich temperaturach ruch łańcuchów molekularnych gumy słabnie, co objawia się twardnieniem materiału. W niektórych specjalnych zastosowaniach zmiany temperatury mogą wielokrotnie powodować zmiany twardości gumy.

Migracja dodatków

Dodatki takie jak plastyfikatory i przeciwutleniacze są często dodawane w procesie produkcyjnym wyrobów gumowych w celu poprawy ich właściwości. Jednakże podczas użytkowania dodatki te mogą stopniowo migrować lub odparowywać, zwiększając twardość gumy.

- Migracja lub ulatnianie się plastyfikatorów: Rolą plastyfikatorów jest poprawa miękkości gumy, czyniąc ją bardziej elastyczną. Jednakże plastyfikatory mogą stopniowo migrować na powierzchnie lub ulatniać się do powietrza podczas stosowania, szczególnie w wysokich temperaturach, gdzie ta migracja lub parowanie będzie szybsze. Po redukcji plastyfikatora zmniejsza się elastyczność gumy, co objawia się wzrostem twardości.

- Spożywanie przeciwutleniaczy: Rolą przeciwutleniaczy jest hamowanie procesu starzenia się gumy, ale przeciwutleniacze będą stopniowo rozkładać się i zawodzić pod wpływem wysokiej temperatury, światła i innych warunków. Po wyczerpaniu się przeciwutleniacza odporność gumy na starzenie maleje, a utlenianie i sieciowanie nasilają się, zwiększając twardość.

Wpływ czynników środowiskowych

Na twardość gumy wpływają także czynniki środowiskowe, w tym temperatura, wilgotność, światło, chemikalia itp., które mogą mieć znaczący wpływ na właściwości fizyczne i chemiczne gumy.

- Temperatura: Wysokie temperatury przyspieszają utlenianie i sieciowanie uszczelek gumowych, podczas gdy niskie temperatury spowalniają ruch łańcuchów molekularnych gumy, czyniąc gumę sztywniejszą. W rzeczywistym procesie użytkowania produkty gumowe są często narażone na działanie środowiska o dużych zmianach temperatury, co będzie miało wpływ na twardość gumy.

- Wilgotność: Wilgoć może wpływać na miękkość uszczelek gumowych, zwłaszcza niektórych bardziej hydrofilowych materiałów gumowych, które pochłaniają wilgoć w wilgotnym środowisku i tracą wilgoć w suchym środowisku. Ta zmiana wilgoci wpływa na twardość gumy.

- Chemikalia: Uszczelki gumowe mogą być podczas użytkowania narażone na działanie substancji chemicznych, takich jak oleje, kwasy i zasady, które mogą wywołać reakcję degradacji gumy, powodując zmianę jej twardości. Na przykład niektóre wyroby gumowe pęcznieją pod działaniem oleju, co objawia się zwiększoną miękkością; W środowisku kwasowo-zasadowym guma może ulec chemicznej degradacji lub stwardnieniu.

Krystalizacja

Niektóre materiały gumowe, zwłaszcza kauczuk naturalny i kauczuk butadienowy, krystalizują pod wpływem długotrwałego przechowywania lub w niskich temperaturach. Krystalizacja ta powoduje wzrost twardości materiału gumowego, czyniąc go kruchym i twardszym.

- Krystalizacja spowodowana stanięciem: Kiedy gumowa uszczelka pozostaje nieruchoma, pomiędzy łańcuchami molekularnymi stopniowo tworzy się uporządkowana struktura i następuje częściowa krystalizacja, powodująca twardnienie materiału. Jest to szczególnie widoczne w przypadku kauczuku naturalnego, gdzie wyroby gumowe, które nie były używane przez dłuższy czas, mogą twardnieć, a nawet sprawiać wrażenie kruchych.

- Krystalizacja niskotemperaturowa: Niektóre materiały gumowe krystalizują w niskich temperaturach, a łańcuchy molekularne są ułożone w bardziej uporządkowany sposób w niskich temperaturach, co zwiększa twardość materiału. Krystalizacja ta stopniowo powraca do normy wraz ze wzrostem temperatury, ale jeśli pozostawi się ją w niskiej temperaturze przez dłuższy czas, zjawisko krystalizacji może stać się nieodwracalne.

Skutki zmęczenia

Guma będzie wykazywać efekt zmęczenia pod wpływem powtarzających się naprężeń, a struktura wewnętrzna będzie stopniowo ulegać pogorszeniu, co spowoduje zmianę twardości. Efekt zmęczenia wynika głównie z przerwania lub przegrupowania wewnętrznych łańcuchów molekularnych materiału gumowego podczas powtarzającego się rozciągania i ściskania, co objawia się wzrostem twardości.

- Tworzenie się mikropęknięć: Powtarzające się naprężenia mogą powodować mikroskopijne pęknięcia wewnątrz gumy, a rozprzestrzenianie się pęknięć wpływa na ogólną strukturę materiału, powodując jego stopniowe twardnienie.

- Sieciowanie wywołane stresem: Pod wpływem naprężenia zachodzi reakcja chemiczna pomiędzy cząsteczkami gumy, tworząc nowe punkty sieciowania, co powoduje wzrost twardości materiału.

Istnieje wiele przyczyn wzrostu twardości wyrobów gumowych po pewnym czasie użytkowania, do głównych czynników należą reakcje utleniania, zwiększone usieciowanie, ograniczony ruch segmentów, migracja dodatków, czynniki środowiskowe, krystalizacja i efekty zmęczenia. Połączenie tych czynników prowadzi do zmiany struktury molekularnej gumy, co ogranicza ruch łańcuchów molekularnych, co ostatecznie objawia się wzrostem twardości. Aby spowolnić ten wzrost twardości, do wyrobów gumowych można dodawać bardziej skuteczne przeciwutleniacze, przeciwutleniacze, które mogą być narażone na wysokie temperatury, promienie ultrafioletowe i silne środowiska utleniające.