7 dôvodov, prečo vás informovať o fenoméne starnutia gumových tesnení

Pri gumových výrobkoch je bežným javom zvýšenie tvrdosti po tom, čo boli nejaký čas ponechané alebo používané, najmä ak sú vystavené vzduchu alebo vonkajším zmenám tlaku a teploty. Tento proces je spôsobený najmä zmenami fyzikálnych a chemických vlastností kaučuku, ktoré možno pripísať nasledujúcim aspektom: oxidácia, zvýšené zosieťovanie, obmedzený pohyb segmentov, migrácia prísad a vplyv environmentálnych faktorov. Ďalej podrobne rozoberiem dôvody z týchto aspektov.

Oxidačná reakcia

Gumové tesnenia podliehajú oxidačným reakciám, keď sú vystavené vzduchu, najmä tie, ktoré obsahujú kyslík a ozón. Oxidácia je jednou z hlavných príčin starnutia gumy, počas ktorej sa mení molekulárna štruktúra gumy, čím sa zvyšuje tvrdosť. Medzi hlavné mechanizmy oxidačných reakcií patria:

- Reťazová reakcia voľných radikálov: Gumové tesnenia sú náchylné na vytváranie voľných radikálov pôsobením kyslíka a voľné radikály sa spájajú s kyslíkom za vzniku peroxidových radikálov, čo následne vedie k pretrhnutiu reťazca a reakciám zosieťovania, čo vedie k zmenám v štruktúre gumy. Keď sa zosieťovanie zvyšuje, pohyb molekulárnych reťazcov je obmedzený a kaučuk vykazuje vyššiu tvrdosť.

- Vplyv ozónu: Ozón má silnejší škodlivý účinok na gumové tesnenia a spôsobuje nielen pretrhnutie reťaze, ale aj oxidačné produkty priamo v molekulách gumy. Tieto oxidačné produkty zvyšujú krehkosť gumy, ktorá vykazuje vyššiu tvrdosť.

Zvýšené zosieťovanie

Zosieťovanie znamená vytvorenie sieťovej štruktúry medzi molekulami gumy prostredníctvom chemických väzieb, ktoré môžu zlepšiť mechanické vlastnosti gumy a zvýšiť jej tvrdosť. Gumové výrobky sú zvyčajne zosieťované počas výrobného procesu prostredníctvom procesov, ako je vulkanizácia, ale stupeň zosieťovania sa bude počas používania ďalej zvyšovať. Je to spôsobené najmä nasledujúcimi faktormi:

- Fotoakcia: UV svetlo podporuje tvorbu voľných radikálov v molekulách gumy, ktoré následne podporujú zosieťovanie medzi molekulami gumy. Gumové výrobky, ktoré boli dlhodobo vystavené slnečnému žiareniu, budú mať zvýšenú tvrdosť v dôsledku zvýšeného zosieťovania.

- Tepelné starnutie: Rastúce teploty urýchľujú pohyb molekúl gumy, čím sa zvyšuje frekvencia zrážok medzi molekulami a uľahčujú sa vytváranie nových chemických väzieb. Tepelné pôsobenie nielen urýchľuje oxidačnú reakciu, ale podporuje aj zosieťovaciu reakciu, čo v konečnom dôsledku vedie k zvýšeniu tvrdosti gumy.

- Oxidačné zosieťovanie: Ako už bolo spomenuté, oxidačné reakcie môžu tiež viesť k zvýšenému zosieťovaniu molekúl kaučuku, najmä v prítomnosti kyslíka a vysokých teplôt, kde sa medzi molekulami kaučuku s väčšou pravdepodobnosťou vytvoria zosieťovacie väzby.

Nárast zosieťovania výrazne zvyšuje tvrdosť gumy, pretože zosieťovanie obmedzuje pohyb molekúl gumy, čím sa gumový materiál stáva menej pružným. Preto zisťujeme, že gumové výrobky po určitom čase používania stvrdnú a skrehnú.

Obmedzený pohyb segmentu

Mäkkosť gumových materiálov je odvodená hlavne od voľného pohybu jej molekulárnych reťazcov, ale po určitom čase používania môže byť tento pohyb segmentu obmedzený z nasledujúcich dôvodov:

- Obmedzenia zosieťovania: Zvýšenie zosieťovania priamo obmedzuje voľný pohyb molekulárnych reťazcov kaučuku a štruktúra zosieťovaného kaučuku je bližšie k pevnej štruktúre a stupeň voľnosti segmentov reťazca sa znižuje, čo vedie k zvýšeniu tvrdosti.

- Hygroskopické a sušiace: Niektoré gumené materiály môžu absorbovať vlhkosť vo vlhkom prostredí a stratiť ju v suchom prostredí. Zmena vlhkosti spôsobuje zmenu pohybu segmentov reťaze vo vnútri gumeného materiálu, čo ovplyvňuje jeho mäkkosť. Napríklad, keď vlhkosť klesá, segmenty gumového materiálu sú tesnejšie zarovnané, čo sa prejavuje zvýšením tvrdosti.

- Zmrazenie: Pri nízkych teplotách sa pohyb molekulárnych reťazcov gumy oslabuje, čo sa prejavuje tvrdnutím materiálu. V niektorých špeciálnych aplikáciách môžu zmeny teploty opakovane viesť k zmenám tvrdosti gumy.

Migrácia aditív

Prísady, ako sú zmäkčovadlá a antioxidanty, sa často pridávajú počas výrobného procesu gumových výrobkov na zlepšenie ich výkonu. Počas používania však môžu tieto prísady postupne migrovať alebo sa vyparovať, čím sa zvyšuje tvrdosť gumy.

- Migrácia alebo volatilizácia zmäkčovadiel: Úlohou zmäkčovadiel je zlepšiť mäkkosť gumy, čím sa stane pružnejšou. Zmäkčovadlá však môžu počas používania postupne migrovať na povrchy alebo prchať do vzduchu, najmä pri vysokých teplotách, kde bude táto migrácia alebo odparovanie rýchlejšie. Pri znižovaní zmäkčovadla sa pružnosť gumy znižuje, čo sa prejavuje zvýšením tvrdosti.

- Konzumácia antioxidantov: Úlohou antioxidantov je inhibovať proces starnutia gumy, ale antioxidanty sa postupne rozkladajú a zlyhávajú pri vysokej teplote, svetle a iných podmienkach. Akonáhle je antioxidant vyčerpaný, schopnosť gumy odolávať starnutiu klesá a oxidácia a zosieťovanie sa zintenzívňujú, čím sa zvyšuje tvrdosť.

Vplyv environmentálnych faktorov

Na tvrdosť gumy majú vplyv aj faktory prostredia, vrátane teploty, vlhkosti, svetla, chemikálií atď., ktoré môžu mať významný vplyv na fyzikálne a chemické vlastnosti gumy.

- Teplota: Vysoké teploty urýchľujú oxidáciu a zosieťovanie gumových tesnení, zatiaľ čo nízke teploty spomaľujú pohyb molekulárnych reťazcov gumy, vďaka čomu je guma tuhšia. V procese skutočného používania sú gumové výrobky často vystavené prostrediu s veľkými zmenami teploty, čo bude mať vplyv na tvrdosť gumy.

- Vlhkosť: Vlhkosť môže ovplyvniť mäkkosť gumových tesnení, najmä niektorých hydrofilnejších gumových materiálov, ktoré absorbujú vlhkosť vo vlhkom prostredí a strácajú vlhkosť v suchom prostredí. Táto zmena vlhkosti ovplyvňuje tvrdosť gumy.

- Chemikálie: Gumové tesnenia môžu byť počas používania vystavené chemikáliám, ako sú oleje, kyseliny a zásady, ktoré môžu v gume spustiť degradačnú reakciu, ktorá spôsobí zmenu jej tvrdosti. Napríklad niektoré gumové výrobky pôsobením oleja napučiavajú, čo sa prejavuje zvýšenou mäkkosťou; V kyslo-alkalickom prostredí môže byť guma chemicky degradovaná alebo stvrdnutá.

Kryštalizácia

Niektoré gumové materiály kryštalizujú pri dlhodobom státí alebo nízkych teplotách, najmä prírodný kaučuk a butadiénový kaučuk. Táto kryštalizácia spôsobuje zvýšenie tvrdosti gumového materiálu, čím sa stáva krehkým a tvrdším.

- Kryštalizácia spôsobená státím: Keď sa gumové tesnenie nechá stáť, medzi molekulovými reťazcami sa postupne vytvorí usporiadaná štruktúra a dôjde k čiastočnej kryštalizácii, ktorá spôsobí vytvrdnutie materiálu. Je to zrejmé najmä pri prírodnom kaučuku, kde gumové výrobky, ktoré sa dlho nepoužívali, môžu stvrdnúť a dokonca sa môžu javiť ako krehké.

- Nízkoteplotná kryštalizácia: Niektoré gumové materiály kryštalizujú pri nízkych teplotách a molekulárne reťazce sú usporiadané usporiadanejšie pri nízkych teplotách, čím sa zvyšuje tvrdosť materiálu. Táto kryštalizácia sa postupne obnovuje so zvyšujúcou sa teplotou, ale ak sa nechá pri nízkej teplote dlhší čas, jav kryštalizácie sa môže stať nezvratným.

Účinky únavy

Guma bude mať pri opakovanom namáhaní únavový efekt a vnútorná štruktúra sa bude postupne zhoršovať, čo má za následok zmenu tvrdosti. Únavový efekt je spôsobený najmä lámaním alebo preskupovaním vnútorných molekulových reťazcov gumového materiálu pri opakovanom naťahovaní a stláčaní, čo sa prejavuje zvýšením tvrdosti.

- Tvorba mikrotrhlín: Opakované namáhanie môže vytvoriť mikroskopické trhliny vo vnútri gumy a šírenie trhlín ovplyvní celkovú štruktúru materiálu, čo spôsobí jeho postupné tvrdnutie.

- Stresom vyvolané zosieťovanie: Pri namáhaní dochádza k chemickej reakcii medzi molekulami gumy, čím sa vytvárajú nové body zosieťovania, čo vedie k zvýšeniu tvrdosti materiálu.

Existuje mnoho dôvodov pre zvýšenie tvrdosti gumových výrobkov po chvíli používania, medzi hlavné faktory patria oxidačné reakcie, zvýšené zosieťovanie, obmedzený pohyb segmentov, migrácia aditív, faktory prostredia, kryštalizácia, únavové účinky. Kombinácia týchto faktorov vedie k zmene molekulárnej štruktúry kaučuku, čo obmedzuje pohyb molekulárnych reťazcov, čo sa v konečnom dôsledku prejaví zvýšením tvrdosti. Na spomalenie tohto nárastu tvrdosti možno do gumových výrobkov pridávať účinnejšie antioxidanty, antioxidanty a môžu byť vystavené vysokým teplotám, ultrafialovým lúčom a silnému oxidačnému prostrediu.