7 λόγοι για να σας ενημερώσουμε για το φαινόμενο της γήρανσης των ελαστικών σφραγίδων
Είναι σύνηθες φαινόμενο η σκληρότητα των προϊόντων από καουτσούκ αφού αφεθούν ή χρησιμοποιηθούν για κάποιο χρονικό διάστημα, ειδικά όταν εκτίθενται στον αέρα ή υπόκεινται σε εξωτερική πίεση και αλλαγές θερμοκρασίας. Αυτή η διαδικασία οφείλεται κυρίως σε αλλαγές στις φυσικές και χημικές ιδιότητες του καουτσούκ, οι οποίες μπορούν να αποδοθούν στις ακόλουθες πτυχές: οξείδωση, αυξημένη διασύνδεση, περιορισμένη κίνηση τμήματος, μετανάστευση προσθέτων και επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων. Στη συνέχεια, θα αναλύσω τους λόγους λεπτομερώς από αυτές τις πτυχές.
Αντίδραση οξείδωσης
Σφραγίδες από καουτσούκυπόκεινται σε αντιδράσεις οξείδωσης όταν εκτίθενται στον αέρα, ιδιαίτερα εκείνες που περιέχουν οξυγόνο και όζον. Η οξείδωση είναι μια από τις κύριες αιτίες γήρανσης του καουτσούκ, κατά την οποία αλλάζει η μοριακή δομή του καουτσούκ, αυξάνοντας τη σκληρότητα. Οι κύριοι μηχανισμοί των αντιδράσεων οξείδωσης περιλαμβάνουν τους ακόλουθους:
- Αλυσιδωτή αντίδραση ελεύθερων ριζών: Οι ελαστικές σφραγίδες είναι επιρρεπείς στο να δημιουργούν ελεύθερες ρίζες υπό τη δράση του οξυγόνου και οι ελεύθερες ρίζες συνδυάζονται με το οξυγόνο για να σχηματίσουν ρίζες υπεροξειδίου, οι οποίες με τη σειρά τους οδηγούν σε σπάσιμο της αλυσίδας και αντιδράσεις διασταύρωσης, με αποτέλεσμα αλλαγές στη δομή του καουτσούκ. Καθώς αυξάνεται η διασύνδεση, η κίνηση των μοριακών αλυσίδων περιορίζεται και το καουτσούκ εμφανίζει υψηλότερη σκληρότητα.
- Επίδραση του όζοντος: Το όζον έχει ισχυρότερη καταστροφική επίδραση στις σφραγίδες από καουτσούκ, προκαλώντας όχι μόνο σπάσιμο της αλυσίδας, αλλά και προϊόντα οξείδωσης απευθείας στα μόρια του καουτσούκ. Αυτά τα προϊόντα οξείδωσης αυξάνουν την ευθραυστότητα του καουτσούκ, το οποίο εμφανίζει υψηλότερη σκληρότητα.
Αυξημένη διασύνδεση
Η διασύνδεση αναφέρεται στο σχηματισμό μιας δομής δικτύου μεταξύ μορίων καουτσούκ μέσω χημικών δεσμών, οι οποίοι μπορούν να ενισχύσουν τις μηχανικές ιδιότητες του καουτσούκ και να το κάνουν να έχει υψηλότερη σκληρότητα. Τα προϊόντα από καουτσούκ συνήθως διασυνδέονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατασκευής μέσω διεργασιών όπως το βουλκανισμό, αλλά ο βαθμός διασταύρωσης θα αυξηθεί περαιτέρω κατά τη χρήση. Αυτό οφείλεται κυρίως στους ακόλουθους παράγοντες:
- Φωτοδράση: Η υπεριώδης ακτινοβολία προάγει τον σχηματισμό ελεύθερων ριζών στα μόρια του καουτσούκ, οι οποίες με τη σειρά τους προάγουν τη διασύνδεση μεταξύ των μορίων του καουτσούκ. Τα προϊόντα από καουτσούκ που έχουν εκτεθεί στο φως του ήλιου για μεγάλο χρονικό διάστημα θα έχουν αυξημένη σκληρότητα λόγω αυξημένης διασταύρωσης.
- Θερμική γήρανση: Η άνοδος της θερμοκρασίας επιταχύνει την κίνηση των μορίων του καουτσούκ, αυξάνοντας τη συχνότητα των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων και διευκολύνοντας το σχηματισμό νέων χημικών δεσμών. Η θερμική δράση όχι μόνο επιταχύνει την αντίδραση οξείδωσης αλλά προάγει επίσης την αντίδραση διασταύρωσης, η οποία τελικά οδηγεί σε αύξηση της σκληρότητας του καουτσούκ.
- Οξειδωτική διασύνδεση: Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι αντιδράσεις οξείδωσης μπορούν επίσης να οδηγήσουν σε αυξημένη διασύνδεση μορίων καουτσούκ, ειδικά παρουσία οξυγόνου και υψηλών θερμοκρασιών, όπου είναι πιο πιθανό να σχηματιστούν δεσμοί σταυροειδών δεσμών μεταξύ των μορίων του καουτσούκ.
Η αύξηση της διασύνδεσης αυξάνει σημαντικά τη σκληρότητα του καουτσούκ, καθώς η διασύνδεση περιορίζει την κίνηση των μορίων του καουτσούκ, καθιστώντας το υλικό από καουτσούκ λιγότερο εύκαμπτο. Γι' αυτό διαπιστώνουμε ότι τα προϊόντα από καουτσούκ γίνονται σκληρά και εύθραυστα μετά από μια περίοδο χρήσης.
Περιορισμένη κίνηση τμήματος
Η απαλότητα των υλικών από καουτσούκ προέρχεται κυρίως από την ελεύθερη κίνηση των μοριακών αλυσίδων του, αλλά μετά από μια περίοδο χρήσης, αυτή η κίνηση του τμήματος μπορεί να περιοριστεί για τους ακόλουθους λόγους:
- Περιορισμοί διασύνδεσης: Η αύξηση της διασύνδεσης περιορίζει άμεσα την ελεύθερη κίνηση των μοριακών αλυσίδων από καουτσούκ και η δομή του διασταυρούμενου καουτσούκ είναι πιο κοντά σε μια συμπαγή δομή και ο βαθμός ελευθερίας των τμημάτων της αλυσίδας μειώνεται, αυξάνοντας τη σκληρότητα.
- Υγροσκοπικό και στεγνωτικό: Ορισμένα υλικά από καουτσούκ μπορεί να απορροφήσουν υγρασία σε υγρό περιβάλλον και να την χάσουν σε ξηρό περιβάλλον. Η αλλαγή στην υγρασία προκαλεί αλλαγή στην κίνηση των τμημάτων της αλυσίδας μέσα στο ελαστικό υλικό, η οποία επηρεάζει την απαλότητά του. Για παράδειγμα, όταν μειώνεται η υγρασία, τα τμήματα του ελαστικού υλικού ευθυγραμμίζονται πιο στενά, γεγονός που εκδηλώνεται ως αύξηση της σκληρότητας.
- Κατάψυξη: Σε χαμηλές θερμοκρασίες εξασθενεί η κίνηση των μοριακών αλυσίδων από καουτσούκ, η οποία εκδηλώνεται ως σκλήρυνση του υλικού. Σε ορισμένες ειδικές εφαρμογές, οι αλλαγές θερμοκρασίας μπορεί επανειλημμένα να οδηγήσουν σε αλλαγές στη σκληρότητα του καουτσούκ.
Μετανάστευση προσθέτων
Πρόσθετα όπως πλαστικοποιητές και αντιοξειδωτικά προστίθενται συχνά κατά τη διαδικασία κατασκευής προϊόντων από καουτσούκ για τη βελτίωση της απόδοσής τους. Ωστόσο, κατά τη χρήση, αυτά τα πρόσθετα μπορεί σταδιακά να μεταναστεύσουν ή να εξατμιστούν, αυξάνοντας τη σκληρότητα του καουτσούκ.
- Μετανάστευση ή εξαέρωση πλαστικοποιητών: Ο ρόλος των πλαστικοποιητών είναι να βελτιώνουν την απαλότητα του καουτσούκ, καθιστώντας το πιο ελαστικό. Ωστόσο, οι πλαστικοποιητές μπορεί σταδιακά να μεταναστεύσουν σε επιφάνειες ή να εξατμιστούν στον αέρα κατά τη χρήση, ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες, όπου αυτή η μετανάστευση ή η εξάτμιση θα είναι ταχύτερη. Όταν μειώνεται ο πλαστικοποιητής, μειώνεται η ευκαμψία του καουτσούκ, η οποία εκδηλώνεται ως αύξηση της σκληρότητας.
- Κατανάλωση αντιοξειδωτικών: Ο ρόλος των αντιοξειδωτικών είναι να αναστέλλουν τη διαδικασία γήρανσης του καουτσούκ, αλλά τα αντιοξειδωτικά σταδιακά θα αποσυντεθούν και θα αποτύχουν υπό υψηλή θερμοκρασία, φως και άλλες συνθήκες. Μόλις εξαντληθεί το αντιοξειδωτικό, η ικανότητα του καουτσούκ να αντιστέκεται στη γήρανση μειώνεται και η οξείδωση και η διασταύρωση εντείνονται, αυξάνοντας τη σκληρότητα.
Επιρροή περιβαλλοντικών παραγόντων
Η σκληρότητα του καουτσούκ επηρεάζεται επίσης από περιβαλλοντικούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας, της υγρασίας, του φωτός, των χημικών ουσιών κ.λπ., οι οποίοι μπορούν να έχουν σημαντικό αντίκτυπο στις φυσικές και χημικές ιδιότητες του καουτσούκ.
- Θερμοκρασία: Οι υψηλές θερμοκρασίες επιταχύνουν την οξείδωση και τη διασύνδεση των ελαστικών σφραγίδων, ενώ οι χαμηλές θερμοκρασίες επιβραδύνουν την κίνηση των μοριακών αλυσίδων από καουτσούκ, καθιστώντας το καουτσούκ πιο άκαμπτο. Στη διαδικασία της πραγματικής χρήσης, τα προϊόντα από καουτσούκ εκτίθενται συχνά σε ένα περιβάλλον μεγάλης αλλαγής θερμοκρασίας, το οποίο θα έχει αντίκτυπο στη σκληρότητα του καουτσούκ.
- Υγρασία: Η υγρασία μπορεί να επηρεάσει την απαλότητα των ελαστικών στεγανοποιήσεων, ειδικά ορισμένων πιο υδρόφιλων ελαστικών υλικών που απορροφούν την υγρασία σε υγρό περιβάλλον και χάνουν υγρασία σε ξηρό περιβάλλον. Αυτή η αλλαγή στην υγρασία επηρεάζει τη σκληρότητα του καουτσούκ.
- Χημικά: Τα ελαστικά στεγανοποιητικά μπορεί να εκτεθούν σε χημικές ουσίες όπως λάδια, οξέα και αλκάλια κατά τη χρήση, τα οποία μπορεί να προκαλέσουν αντίδραση αποικοδόμησης στο καουτσούκ, προκαλώντας αλλαγή της σκληρότητάς του. Για παράδειγμα, ορισμένα προϊόντα από καουτσούκ θα διογκωθούν υπό τη δράση του λαδιού, η οποία εκδηλώνεται με αυξημένη απαλότητα. Σε όξινα-αλκαλικά περιβάλλοντα, το καουτσούκ μπορεί να αποικοδομηθεί χημικά ή να σκληρυνθεί.
Αποκρυστάλλωση
Ορισμένα υλικά από καουτσούκ θα κρυσταλλωθούν σε μακροχρόνια παραμονή ή σε χαμηλές θερμοκρασίες, ειδικά το φυσικό καουτσούκ και το καουτσούκ βουταδιενίου. Αυτή η κρυστάλλωση προκαλεί την αύξηση της σκληρότητας του υλικού από καουτσούκ, καθιστώντας το εύθραυστο και πιο σκληρό.
- Κρυστάλλωση που προκαλείται από την ορθοστασία: Όταν ένα ελαστικό σφράγισμα παραμένει ακίνητο, σχηματίζεται σταδιακά μια τακτική δομή μεταξύ των μοριακών αλυσίδων και λαμβάνει χώρα μερική κρυστάλλωση, προκαλώντας τη σκλήρυνση του υλικού. Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές στο φυσικό καουτσούκ, όπου τα προϊόντα από καουτσούκ που δεν έχουν χρησιμοποιηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα μπορεί να σκληρύνουν και ακόμη και να φαίνονται εύθραυστα.
- Κρυστάλλωση σε χαμηλή θερμοκρασία: Ορισμένα υλικά από καουτσούκ κρυσταλλώνονται σε χαμηλές θερμοκρασίες και οι μοριακές αλυσίδες διατάσσονται με πιο τακτοποιημένο τρόπο σε χαμηλές θερμοκρασίες, αυξάνοντας τη σκληρότητα του υλικού. Αυτή η κρυστάλλωση σταδιακά ανακάμπτει καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, αλλά εάν παραμείνει σε χαμηλή θερμοκρασία για μεγάλο χρονικό διάστημα, το φαινόμενο της κρυστάλλωσης μπορεί να γίνει μη αναστρέψιμο.
Επιπτώσεις κόπωσης
Το καουτσούκ θα έχει αποτέλεσμα κόπωσης υπό επαναλαμβανόμενες καταπονήσεις και η εσωτερική δομή θα επιδεινωθεί σταδιακά, με αποτέλεσμα μια αλλαγή στη σκληρότητα. Το φαινόμενο κόπωσης οφείλεται κυρίως στο σπάσιμο ή την αναδιάταξη των εσωτερικών μοριακών αλυσίδων του ελαστικού υλικού σε επαναλαμβανόμενες τάνυσεις και συμπίεση, που εκδηλώνεται ως αύξηση της σκληρότητας.
- Σχηματισμός μικρορωγμής: Η επαναλαμβανόμενη πίεση μπορεί να δημιουργήσει μικροσκοπικές ρωγμές στο εσωτερικό του καουτσούκ και η διάδοση των ρωγμών θα επηρεάσει τη συνολική δομή του υλικού, προκαλώντας τη σταδιακή σκλήρυνση.
- Διασύνδεση που προκαλείται από το στρες: Υπό πίεση, λαμβάνει χώρα μια χημική αντίδραση μεταξύ των μορίων του καουτσούκ, δημιουργώντας νέα σημεία διασταύρωσης, με αποτέλεσμα την αύξηση της σκληρότητας του υλικού.
Υπάρχουν πολλοί λόγοι για την αύξηση της σκληρότητας των προϊόντων από καουτσούκ μετά από λίγο χρόνο χρήσης, οι κύριοι παράγοντες περιλαμβάνουν αντιδράσεις οξείδωσης, αυξημένη διασύνδεση, περιορισμένη κίνηση τμήματος, μετανάστευση προσθέτων, περιβαλλοντικοί παράγοντες, κρυστάλλωση και φαινόμενα κόπωσης. Ο συνδυασμός αυτών των παραγόντων οδηγεί σε αλλαγή της μοριακής δομής του καουτσούκ, η οποία περιορίζει την κίνηση των μοριακών αλυσίδων, η οποία τελικά εκδηλώνεται ως αύξηση της σκληρότητας. Για να επιβραδυνθεί αυτή η αύξηση της σκληρότητας, πιο αποτελεσματικά αντιοξειδωτικά, αντιοξειδωτικά μπορούν να προστεθούν στα προϊόντα από καουτσούκ και μπορούν να εκτεθούν σε υψηλές θερμοκρασίες, υπεριώδεις ακτίνες και ισχυρά οξειδωτικά περιβάλλοντα.