7 razlogov, da vas obvestimo o pojavu staranja gumijastih tesnil
Pogost pojav je, da se gumijastim izdelkom poveča trdota, potem ko jih nekaj časa pustimo ali uporabljamo, zlasti če so izpostavljeni zraku ali zunanjim pritiskom in temperaturnim spremembam. Ta proces je predvsem posledica sprememb v fizikalnih in kemijskih lastnostih gume, ki jih lahko pripišemo naslednjim vidikom: oksidacija, povečano zamreženje, omejeno gibanje segmentov, migracija aditivov in vpliv okoljskih dejavnikov. Nato bom podrobno analiziral razloge s teh vidikov.
Reakcija oksidacije
Gumijasta tesnila so izpostavljena oksidacijskim reakcijam, ko so izpostavljena zraku, zlasti tistim, ki vsebujejo kisik in ozon. Oksidacija je eden od glavnih vzrokov staranja gume, med katerim se spreminja molekularna struktura gume, kar povečuje trdoto. Glavni mehanizmi oksidacijskih reakcij vključujejo naslednje:
- Verižna reakcija prostih radikalov: Gumijasta tesnila so nagnjena k ustvarjanju prostih radikalov pod delovanjem kisika, prosti radikali pa se povezujejo s kisikom in tvorijo peroksidne radikale, kar posledično vodi do prekinitve verige in reakcij navzkrižnega povezovanja, kar povzroči spremembe v strukturi gume. Ko se navzkrižno povezovanje poveča, je gibanje molekulskih verig omejeno, guma pa postane trdota večja.
- Učinek ozona: Ozon ima močnejši škodljiv učinek na gumijasta tesnila, saj ne povzroča samo pretrganja verige, temveč tudi oksidacijske produkte neposredno v molekulah gume. Ti produkti oksidacije povečajo krhkost gume, ki kaže večjo trdoto.
Povečano navzkrižno povezovanje
Navzkrižno povezovanje se nanaša na tvorbo mrežne strukture med molekulami kavčuka prek kemičnih vezi, kar lahko izboljša mehanske lastnosti kavčuka in poveča njegovo trdoto. Izdelki iz gume so običajno zamreženi med proizvodnim procesom s postopki, kot je vulkanizacija, vendar se stopnja zamreževanja med uporabo še poveča. To je predvsem posledica naslednjih dejavnikov:
- Fotoakcija: UV svetloba spodbuja nastanek prostih radikalov v molekulah gume, ti pa spodbujajo navzkrižno povezovanje med molekulami gume. Izdelki iz gume, ki so bili dolgo časa izpostavljeni sončni svetlobi, bodo imeli povečano trdoto zaradi povečanega zamreženja.
- Toplotno staranje: Naraščajoče temperature pospešijo gibanje molekul kavčuka, povečajo pogostost trkov med molekulami in olajšajo tvorjenje novih kemičnih vezi. Toplotno delovanje ne le pospeši oksidacijsko reakcijo, ampak tudi pospeši reakcijo zamreženja, kar na koncu vodi do povečanja trdote gume.
- Oksidativno zamreženje: Kot smo že omenili, lahko oksidacijske reakcije privedejo tudi do povečanega zamreženja molekul kavčuka, zlasti v prisotnosti kisika in visokih temperatur, kjer obstaja večja verjetnost, da se bodo med molekulami kavčuka oblikovale zamrežene vezi.
Povečanje zamreženosti znatno poveča trdoto gume, saj zamreženje omejuje gibanje molekul kavčuka, zaradi česar je gumijasti material manj prožen. Zato ugotavljamo, da izdelki iz gume postanejo po določenem obdobju uporabe trdi in krhki.
Omejeno gibanje segmenta
Mehkoba gumijastih materialov v glavnem izhaja iz prostega gibanja njegovih molekularnih verig, vendar je po obdobju uporabe lahko gibanje tega segmenta omejeno zaradi naslednjih razlogov:
- Omejitve navzkrižnega povezovanja: Povečanje zamreženja neposredno omejuje prosto gibanje molekularnih verig gume, struktura zamrežene gume je bližje trdni strukturi, stopnja svobode segmentov verige pa se zmanjša, kar povzroči povečanje trdote.
- Higroskopičen in suh: Nekateri gumijasti materiali lahko absorbirajo vlago v vlažnem okolju in jo izgubijo v suhem okolju. Sprememba vlažnosti povzroči spremembo gibanja segmentov verige znotraj gumijastega materiala, kar vpliva na njegovo mehkobo. Na primer, ko se vlaga zmanjša, so segmenti gumijastega materiala tesneje poravnani, kar se kaže kot povečanje trdote.
- Zamrzovanje: Pri nizkih temperaturah gibanje molekularnih verig gume oslabi, kar se kaže kot utrjevanje materiala. Pri nekaterih posebnih aplikacijah lahko temperaturne spremembe vedno znova povzročijo spremembe v trdoti gume.
Migracija aditivov
Dodatki, kot so mehčala in antioksidanti, se pogosto dodajajo med proizvodnim procesom izdelkov iz gume, da izboljšajo njihovo učinkovitost. Vendar pa lahko med uporabo ti dodatki postopoma migrirajo ali izhlapijo, kar poveča trdoto gume.
- Migracija ali izhlapevanje plastifikatorjev: Vloga plastifikatorjev je izboljšati mehkobo gume, zaradi česar je bolj elastična. Vendar pa lahko plastifikatorji med uporabo postopoma migrirajo na površine ali izhlapijo v zrak, zlasti pri visokih temperaturah, kjer bo ta migracija ali izhlapevanje hitrejše. Z zmanjšanjem plastifikatorja se zmanjša prožnost gume, kar se kaže kot povečanje trdote.
- Uživanje antioksidantov: Vloga antioksidantov je zaviranje procesa staranja gume, vendar se bodo antioksidanti postopoma razgradili in propadli pod visoko temperaturo, svetlobo in drugimi pogoji. Ko je antioksidant izčrpan, se odpornost gume proti staranju zmanjša, oksidacija in navzkrižno povezovanje pa se okrepita, kar poveča trdoto.
Vpliv okoljskih dejavnikov
Na trdoto gume vplivajo tudi okoljski dejavniki, vključno s temperaturo, vlago, svetlobo, kemikalijami itd., ki lahko pomembno vplivajo na fizikalne in kemijske lastnosti gume.
- Temperatura: Visoke temperature pospešijo oksidacijo in zamreženje gumijastih tesnil, medtem ko nizke temperature upočasnijo gibanje molekularnih verig gume, zaradi česar je guma trša. V procesu dejanske uporabe so izdelki iz gume pogosto izpostavljeni velikim temperaturnim spremembam v okolju, kar bo vplivalo na trdoto gume.
- Vlažnost: Vlaga lahko vpliva na mehkobo gumijastih tesnil, zlasti nekaterih bolj hidrofilnih gumijastih materialov, ki bodo absorbirali vlago v vlažnem okolju in jo izgubili v suhem okolju. Ta sprememba vlage vpliva na trdoto gume.
- Kemikalije: Gumijasta tesnila so lahko med uporabo izpostavljena kemikalijam, kot so olja, kisline in alkalije, ki lahko sprožijo reakcijo razgradnje gume in povzročijo spremembo njene trdote. Na primer, nekateri gumijasti izdelki bodo nabreknili pod vplivom olja, kar se kaže v povečani mehkobi; V kislo-alkalnem okolju se lahko guma kemično razgradi ali strdi.
Kristalizacija
Nekateri gumijasti materiali kristalizirajo pri dolgotrajnem stanju ali nizkih temperaturah, zlasti naravni kavčuk in butadienski kavčuk. Ta kristalizacija povzroči povečanje trdote gumijastega materiala, zaradi česar postane krhek in trši.
- Kristalizacija zaradi stanja: Ko gumijasto tesnilo miruje, se med molekularnimi verigami postopoma oblikuje urejena struktura in pride do delne kristalizacije, zaradi česar se material strdi. To je še posebej očitno pri naravnem kavčuku, kjer lahko gumijasti izdelki, ki niso bili v uporabi dlje časa, strdijo in so celo videti krhki.
- Nizkotemperaturna kristalizacija: nekateri gumijasti materiali kristalizirajo pri nizkih temperaturah, molekularne verige pa so pri nizkih temperaturah bolj urejene, kar poveča trdoto materiala. Ta kristalizacija se s povišanjem temperature postopoma obnovi, a če ostane pri nizki temperaturi dlje časa, lahko pojav kristalizacije postane nepovraten.
Učinki utrujenosti
Guma bo ob ponavljajočih se obremenitvah imela učinek utrujenosti, notranja struktura pa se bo postopoma poslabšala, kar bo povzročilo spremembo trdote. Učinek utrujenosti je predvsem posledica lomljenja ali preureditve notranjih molekularnih verig gumijastega materiala pri ponavljajočem se raztezanju in stiskanju, kar se kaže kot povečanje trdote.
- Nastanek mikrorazpok: Ponavljajoče se obremenitve lahko povzročijo mikroskopske razpoke v gumi, širjenje razpok pa bo vplivalo na celotno strukturo materiala in povzročilo postopno strjevanje.
- Zamreženje zaradi stresa: Pod obremenitvijo pride do kemične reakcije med molekulami kavčuka, ki ustvari nove točke zamreženja, kar povzroči povečanje trdote materiala.
Obstaja veliko razlogov za povečanje trdote izdelkov iz gume po nekaj časa uporabe, glavni dejavniki vključujejo oksidacijske reakcije, povečano zamreženje, omejeno gibanje segmentov, migracijo aditivov, okoljske dejavnike, kristalizacijo in učinke utrujenosti. Kombinacija teh dejavnikov povzroči spremembo molekularne strukture gume, kar omejuje gibanje molekulskih verig, kar se na koncu pokaže kot povečanje trdote. Za upočasnitev tega povečevanja trdote lahko gumijastim izdelkom dodamo učinkovitejše antioksidante, antioksidante in jih izpostavimo visokim temperaturam, ultravijoličnim žarkom in močnim oksidacijskim okoljem.