7 důvodů, proč vás informovat o fenoménu stárnutí pryžových těsnění

U pryžových výrobků je běžným jevem zvýšení tvrdosti poté, co byly ponechány nebo používány po určitou dobu, zejména když jsou vystaveny vzduchu nebo vystaveny změnám vnějšího tlaku a teploty. Tento proces je způsoben především změnami fyzikálních a chemických vlastností kaučuku, které lze přičíst následujícím aspektům: oxidace, zvýšené zesíťování, omezený pohyb segmentů, migrace přísad a vliv faktorů prostředí. Dále podrobně rozeberu důvody z těchto aspektů.

Oxidační reakce

Gumová těsnění podléhají oxidačním reakcím, jsou-li vystavena vzduchu, zejména těsnění obsahující kyslík a ozón. Oxidace je jednou z hlavních příčin stárnutí pryže, během níž se mění molekulární struktura pryže a zvyšuje se tvrdost. Mezi hlavní mechanismy oxidačních reakcí patří:

- Volná radikálová řetězová reakce: Pryžová těsnění jsou náchylná ke generování volných radikálů působením kyslíku a volné radikály se spojují s kyslíkem za vzniku peroxidových radikálů, což následně vede k přetržení řetězce a síťovacím reakcím, což má za následek změny ve struktuře pryže. S rostoucím síťováním je pohyb molekulových řetězců omezen a kaučuk vykazuje vyšší tvrdost.

- Vliv ozónu: Ozón má silnější škodlivý účinek na pryžová těsnění a způsobuje nejen přetržení řetězu, ale také oxidační produkty přímo v molekulách pryže. Tyto oxidační produkty zvyšují křehkost pryže, která vykazuje vyšší tvrdost.

Zvýšené zesíťování

Zesíťování se týká vytvoření síťové struktury mezi molekulami pryže prostřednictvím chemických vazeb, které mohou zlepšit mechanické vlastnosti pryže a zvýšit její tvrdost. Pryžové výrobky jsou obvykle zesíťovány během výrobního procesu prostřednictvím procesů, jako je vulkanizace, ale stupeň zesíťování se bude během používání dále zvyšovat. Je to způsobeno především následujícími faktory:

- Fotoakce: UV světlo podporuje tvorbu volných radikálů v molekulách kaučuku, které zase podporují zesíťování mezi molekulami kaučuku. Pryžové výrobky, které byly delší dobu vystaveny slunečnímu záření, budou mít zvýšenou tvrdost v důsledku zvýšeného zesíťování.

- Tepelné stárnutí: Rostoucí teploty urychlují pohyb molekul pryže, zvyšují frekvenci srážek mezi molekulami a usnadňují vytváření nových chemických vazeb. Tepelné působení nejen urychluje oxidační reakci, ale také podporuje síťovací reakci, což v konečném důsledku vede ke zvýšení tvrdosti kaučuku.

- Oxidační zesíťování: Jak již bylo zmíněno dříve, oxidační reakce mohou také vést ke zvýšenému zesíťování molekul kaučuku, zejména v přítomnosti kyslíku a vysokých teplot, kde se mezi molekulami kaučuku pravděpodobněji tvoří zesíťující vazby.

Nárůst síťování výrazně zvyšuje tvrdost pryže, protože síťování omezuje pohyb molekul pryže, čímž je pryžový materiál méně pružný. Proto zjišťujeme, že pryžové výrobky po určité době používání ztvrdnou a zkřehnou.

Omezený pohyb segmentu

Měkkost pryžových materiálů je odvozena především z volného pohybu jejích molekulárních řetězců, ale po určité době používání může být tento pohyb segmentu omezen z následujících důvodů:

- Omezení křížových vazeb: Nárůst zesíťování přímo omezuje volný pohyb molekulárních řetězců kaučuku a struktura zesíťovaného kaučuku se blíží pevné struktuře a míra volnosti segmentů řetězce se snižuje, což má za následek zvýšení tvrdosti.

- Hygroskopické a schnoucí: Některé pryžové materiály mohou absorbovat vlhkost ve vlhkém prostředí a ztrácet ji v suchém prostředí. Změna vlhkosti způsobuje změnu pohybu segmentů řetězu uvnitř pryžového materiálu, což ovlivňuje jeho měkkost. Například při poklesu vlhkosti jsou segmenty pryžového materiálu těsněji zarovnány, což se projevuje zvýšením tvrdosti.

- Zmrazení: Při nízkých teplotách slábne pohyb molekulárních řetězců pryže, což se projevuje tvrdnutím materiálu. V některých speciálních aplikacích mohou změny teploty opakovaně vést ke změnám tvrdosti pryže.

Migrace aditiv

Během výrobního procesu pryžových výrobků se často přidávají aditiva, jako jsou změkčovadla a antioxidanty, aby se zlepšil jejich výkon. Během používání však mohou tyto přísady postupně migrovat nebo se odpařovat, čímž se zvyšuje tvrdost kaučuku.

- Migrace nebo těkání změkčovadel: Úlohou změkčovadel je zlepšit měkkost kaučuku, čímž je pružnější. Změkčovadla však mohou během používání postupně migrovat na povrchy nebo se vypařovat do vzduchu, zejména při vysokých teplotách, kde bude tato migrace nebo odpařování rychlejší. Při snížení změkčovadla klesá pružnost kaučuku, což se projevuje zvýšením tvrdosti.

- Konzumace antioxidantů: Úlohou antioxidantů je inhibovat proces stárnutí pryže, ale antioxidanty se postupně rozkládají a selhávají při vysoké teplotě, světle a dalších podmínkách. Jakmile je antioxidant vyčerpán, schopnost kaučuku odolávat stárnutí se snižuje a oxidace a zesíťování se zintenzivňují, čímž se zvyšuje tvrdost.

Vliv faktorů prostředí

Tvrdost pryže je také ovlivněna faktory prostředí, včetně teploty, vlhkosti, světla, chemikálií atd., které mohou mít významný vliv na fyzikální a chemické vlastnosti pryže.

- Teplota: Vysoké teploty urychlují oxidaci a síťování pryžových těsnění, zatímco nízké teploty zpomalují pohyb molekulárních řetězců pryže, díky čemuž je pryž tužší. V procesu skutečného použití jsou pryžové výrobky často vystaveny prostředí s velkými změnami teploty, což bude mít dopad na tvrdost pryže.

- Vlhkost: Vlhkost může ovlivnit měkkost pryžových těsnění, zejména některých hydrofilnějších pryžových materiálů, které absorbují vlhkost ve vlhkém prostředí a ztrácejí vlhkost v suchém prostředí. Tato změna vlhkosti ovlivňuje tvrdost pryže.

- Chemikálie: Gumová těsnění mohou být během používání vystavena chemikáliím, jako jsou oleje, kyseliny a zásady, které mohou spustit degradační reakci v pryži a způsobit změnu její tvrdosti. Některé pryžové výrobky například působením oleje nabobtnají, což se projevuje zvýšenou měkkostí; V kyselém a alkalickém prostředí může dojít k chemické degradaci nebo vytvrzení pryže.

Krystalizace

Některé pryžové materiály budou krystalizovat při dlouhodobém stání nebo nízkých teplotách, zejména přírodní pryž a butadienová pryž. Tato krystalizace způsobuje zvýšení tvrdosti pryžového materiálu, který se stává křehkým a tvrdším.

- Krystalizace způsobená stáním: Když je pryžové těsnění ponecháno v klidu, mezi molekulárními řetězci se postupně vytvoří uspořádaná struktura a dojde k částečné krystalizaci, která způsobí vytvrzení materiálu. To je patrné zejména u přírodního kaučuku, kde pryžové výrobky, které se dlouho nepoužívaly, mohou ztvrdnout a dokonce se jevit jako křehké.

- Nízkoteplotní krystalizace: Některé pryžové materiály krystalizují při nízkých teplotách a molekulární řetězce jsou při nízkých teplotách uspořádány uspořádanějším způsobem, čímž se zvyšuje tvrdost materiálu. Tato krystalizace se postupně obnovuje se zvyšující se teplotou, ale pokud je ponechána při nízké teplotě po dlouhou dobu, může se jev krystalizace stát nevratným.

Účinky únavy

Pryž bude mít při opakovaném namáhání únavový efekt a vnitřní struktura se bude postupně zhoršovat, což má za následek změnu tvrdosti. Únavový efekt je způsoben především lámáním nebo přeskupováním vnitřních molekulárních řetězců pryžového materiálu při opakovaném natahování a stlačení, což se projevuje zvýšením tvrdosti.

- Vznik mikrotrhlin: Opakované namáhání může vytvořit mikroskopické trhliny uvnitř pryže a šíření trhlin ovlivní celkovou strukturu materiálu a způsobí jeho postupné tvrdnutí.

- Síťování vyvolané stresem: Při namáhání dochází k chemické reakci mezi molekulami pryže, která vytváří nové body zesítění, což má za následek zvýšení tvrdosti materiálu.

Existuje mnoho důvodů pro zvýšení tvrdosti pryžových výrobků po chvíli používání, mezi hlavní faktory patří oxidační reakce, zvýšené zesíťování, omezený pohyb segmentů, migrace přísad, faktory prostředí, krystalizace, únavové efekty. Kombinace těchto faktorů vede ke změně molekulární struktury kaučuku, která omezuje pohyb molekulárních řetězců, což se v konečném důsledku projeví zvýšením tvrdosti. Pro zpomalení tohoto nárůstu tvrdosti lze do pryžových výrobků přidávat účinnější antioxidanty, antioxidanty a mohou být vystaveny vysokým teplotám, ultrafialovým paprskům a silnému oxidačnímu prostředí.