7 motivi per informarti del fenomeno dell'invecchiamento delle guarnizioni in gomma

È un fenomeno comune che i prodotti in gomma aumentino di durezza dopo essere stati lasciati o utilizzati per un certo periodo, soprattutto quando sono esposti all'aria o soggetti a variazioni di pressione e temperatura esterne. Questo processo è dovuto principalmente ai cambiamenti nelle proprietà fisiche e chimiche della gomma, che possono essere attribuiti ai seguenti aspetti: ossidazione, aumento della reticolazione, movimento limitato dei segmenti, migrazione degli additivi e influenza di fattori ambientali. Successivamente, analizzerò le ragioni in dettaglio partendo da questi aspetti.

Reazione di ossidazione

Le guarnizioni in gomma sono soggette a reazioni di ossidazione se esposte all'aria, in particolare quelle contenenti ossigeno e ozono. L'ossidazione è una delle principali cause dell'invecchiamento della gomma, durante la quale la struttura molecolare della gomma cambia, aumentandone la durezza. I principali meccanismi delle reazioni di ossidazione includono quanto segue:

- Reazione a catena dei radicali liberi: Le guarnizioni in gomma tendono a generare radicali liberi sotto l'azione dell'ossigeno e i radicali liberi si combinano con l'ossigeno per formare radicali perossido, che a loro volta portano alla rottura della catena e a reazioni di reticolazione, con conseguenti cambiamenti nella struttura della gomma. All’aumentare della reticolazione, il movimento delle catene molecolari viene limitato e la gomma mostra una maggiore durezza.

- Effetto dell'ozono: L'ozono ha un effetto dannoso più forte sulle guarnizioni in gomma, causando non solo la rottura della catena, ma anche prodotti di ossidazione direttamente nelle molecole di gomma. Questi prodotti di ossidazione aumentano la fragilità della gomma, che presenta una durezza maggiore.

Maggiore reticolazione

La reticolazione si riferisce alla formazione di una struttura a rete tra le molecole di gomma attraverso legami chimici, che possono migliorare le proprietà meccaniche della gomma e conferirle una maggiore durezza. I prodotti in gomma vengono solitamente reticolati durante il processo di produzione attraverso processi come la vulcanizzazione, ma il grado di reticolazione aumenterà ulteriormente durante l'uso. Ciò è dovuto principalmente ai seguenti fattori:

- Fotoazione: La luce UV favorisce la formazione di radicali liberi nelle molecole di gomma, che a loro volta favoriscono la reticolazione tra le molecole di gomma. I prodotti in gomma che sono stati esposti alla luce solare per lungo tempo avranno una maggiore durezza a causa della maggiore reticolazione.

- Invecchiamento termico: L’aumento delle temperature accelera il movimento delle molecole di gomma, aumentando la frequenza delle collisioni tra le molecole e rendendo più facile la formazione di nuovi legami chimici. L'azione termica non solo accelera la reazione di ossidazione ma favorisce anche la reazione di reticolazione, che alla fine porta ad un aumento della durezza della gomma.

- Reticolazione ossidativa: Come accennato in precedenza, le reazioni di ossidazione possono anche portare ad un aumento della reticolazione delle molecole di gomma, soprattutto in presenza di ossigeno e temperature elevate, dove è più probabile che si formino legami reticolanti tra le molecole di gomma.

L'aumento della reticolazione aumenta significativamente la durezza della gomma, poiché la reticolazione limita il movimento delle molecole di gomma, rendendo il materiale di gomma meno flessibile. Ecco perché riscontriamo che i prodotti in gomma diventano duri e fragili dopo un periodo di utilizzo.

Movimento limitato del segmento

La morbidezza dei materiali in gomma deriva principalmente dal libero movimento delle sue catene molecolari, ma dopo un periodo di utilizzo, questo movimento dei segmenti può essere limitato per i seguenti motivi:

- Limitazioni di reticolazione: L'aumento della reticolazione limita direttamente il libero movimento delle catene molecolari della gomma e la struttura della gomma reticolata è più vicina a una struttura solida e il grado di libertà dei segmenti della catena diminuisce, con conseguente aumento della durezza.

- Igroscopico ed essiccante: Alcuni materiali in gomma possono assorbire umidità in un ambiente umido e perderla in un ambiente asciutto. Il cambiamento di umidità provoca un cambiamento nel movimento dei segmenti della catena all'interno del materiale in gomma, che ne influenza la morbidezza. Ad esempio, quando l'umidità diminuisce, i segmenti del materiale in gomma sono più strettamente allineati, il che si manifesta con un aumento della durezza.

- Congelamento: A basse temperature, il movimento delle catene molecolari della gomma si indebolisce, manifestandosi come un indurimento del materiale. In alcune applicazioni speciali, i cambiamenti di temperatura possono portare ripetutamente a cambiamenti nella durezza della gomma.

Migrazione degli additivi

Additivi come plastificanti e antiossidanti vengono spesso aggiunti durante il processo di produzione dei prodotti in gomma per migliorarne le prestazioni. Tuttavia, durante l'uso, questi additivi possono migrare o evaporare gradualmente, aumentando la durezza della gomma.

- Migrazione o volatilizzazione dei plastificanti: Il ruolo dei plastificanti è quello di migliorare la morbidezza della gomma, rendendola più elastica. Tuttavia, i plastificanti possono migrare gradualmente sulle superfici o volatilizzarsi nell'aria durante l'uso, soprattutto a temperature elevate, dove questa migrazione o evaporazione sarà più rapida. Quando il plastificante si riduce, diminuisce la flessibilità della gomma, che si manifesta con un aumento della durezza.

- Consumo di antiossidanti: Il ruolo degli antiossidanti è quello di inibire il processo di invecchiamento della gomma, ma gli antiossidanti si decompongono gradualmente e falliscono in condizioni di alta temperatura, luce e altre condizioni. Una volta esaurito l'antiossidante, la capacità della gomma di resistere all'invecchiamento diminuisce e l'ossidazione e la reticolazione si intensificano, aumentando la durezza.

Influenza dei fattori ambientali

La durezza della gomma è influenzata anche da fattori ambientali, tra cui temperatura, umidità, luce, sostanze chimiche, ecc., che possono avere un impatto significativo sulle proprietà fisiche e chimiche della gomma.

- Temperatura: Le alte temperature accelerano l'ossidazione e la reticolazione delle guarnizioni in gomma, mentre le basse temperature rallentano il movimento delle catene molecolari della gomma, rendendo la gomma più rigida. Nel processo di utilizzo effettivo, i prodotti in gomma sono spesso esposti a forti sbalzi di temperatura ambientali, che avranno un impatto sulla durezza della gomma.

- Umidità: L'umidità può influire sulla morbidezza delle guarnizioni in gomma, in particolare di alcuni materiali in gomma più idrofili che assorbono umidità in un ambiente umido e la perdono in un ambiente asciutto. Questo cambiamento di umidità influisce sulla durezza della gomma.

- Prodotti chimici: Le guarnizioni in gomma possono essere esposte a sostanze chimiche come oli, acidi e alcali durante l'uso, che possono innescare una reazione di degradazione nella gomma, causandone la modifica della durezza. Ad esempio, alcuni prodotti in gomma si gonfiano sotto l'azione dell'olio, che si manifesta con una maggiore morbidezza; In ambienti acido-alcalini, la gomma può essere degradata o indurita chimicamente.

Cristallizzazione

Alcuni materiali in gomma cristallizzano se lasciati a lungo o a basse temperature, in particolare la gomma naturale e la gomma butadiene. Questa cristallizzazione fa aumentare la durezza del materiale in gomma, rendendolo fragile e più duro.

- Cristallizzazione causata dalla posizione in piedi: Quando una guarnizione in gomma viene lasciata ferma, si forma gradualmente una struttura ordinata tra le catene molecolari e si verifica una parziale cristallizzazione che provoca l'indurimento del materiale. Ciò è particolarmente evidente nel caso della gomma naturale, dove i prodotti in gomma non utilizzati per lungo tempo possono indurirsi e apparire addirittura fragili.

- Cristallizzazione a bassa temperatura: Alcuni materiali in gomma cristallizzano a basse temperature e le catene molecolari si dispongono in modo più ordinato a basse temperature, aumentando la durezza del materiale. Questa cristallizzazione si riprende gradualmente con l'aumentare della temperatura, ma se si lascia a bassa temperatura per lungo tempo il fenomeno della cristallizzazione può diventare irreversibile.

Effetti della fatica

La gomma avrà un effetto di fatica sotto sollecitazioni ripetute e la struttura interna si deteriorerà gradualmente, con conseguente cambiamento di durezza. L'effetto della fatica è dovuto principalmente alla rottura o al riarrangiamento delle catene molecolari interne del materiale in gomma in ripetuti allungamenti e compressioni, che si manifesta come un aumento della durezza.

- Formazione di microfessurazioni: Lo stress ripetuto può creare crepe microscopiche all'interno della gomma e la propagazione delle crepe influenzerà la struttura complessiva del materiale, facendolo indurire gradualmente.

- Reticolazione indotta da stress: Sotto stress avviene una reazione chimica tra le molecole della gomma, creando nuovi punti di reticolazione, con conseguente aumento della durezza del materiale.

Ci sono molte ragioni per l'aumento della durezza dei prodotti in gomma dopo un certo periodo di utilizzo, i fattori principali includono reazioni di ossidazione, maggiore reticolazione, movimento limitato dei segmenti, migrazione di additivi, fattori ambientali, cristallizzazione ed effetti di fatica. La combinazione di questi fattori porta ad un cambiamento nella struttura molecolare della gomma, che limita il movimento delle catene molecolari, che alla fine si manifesta con un aumento della durezza. Per rallentare questo aumento di durezza, è possibile aggiungere antiossidanti più efficaci ai prodotti in gomma e questi possono essere esposti a temperature elevate, raggi ultravioletti e ambienti fortemente ossidanti.