Każdy, kto kiedykolwiek próbował wymienić starą uszczelkę w kranie, oknie czy pod maską samochodu, prawdopodobnie spotkał się ze zjawiskiem potocznie zwanym „parceniem”. Guma, która kiedyś była elastyczna i miękka, staje się twarda, krucha i pokrywa się siatką drobnych pęknięć. Choć na pierwszy rzut oka wygląda to na zwykłe zużycie, w rzeczywistości za tym procesem stoją konkretne, fascynujące i nieubłagane procesy chemiczne oraz fizyczne.

Czym właściwie jest guma i dlaczego się zmienia?

Aby zrozumieć, dlaczego uszczelki niszczeją, musimy najpierw spojrzeć na to, z czego są zrobione. Większość uszczelek to elastomery – polimery o specyficznej budowie. Wyobraź sobie długie, splątane łańcuchy cząsteczek, które są ze sobą połączone rzadkimi „mostkami” (proces ten nazywamy wulkanizacją). Dzięki tej strukturze guma może się rozciągać i wracać do pierwotnego kształtu.

Parcenie to proces degradacji tych polimerów. Dochodzi do niego, gdy wiązania chemiczne wewnątrz łańcuchów zostają zerwane lub gdy powstaje zbyt wiele nowych, niekontrolowanych połączeń, co usztywnia strukturę.

Główni winowajcy: tlen i ozon

Największymi wrogami wyrobów gumowych są gazy obecne w powietrzu. Choć tlen jest nam niezbędny do życia, dla uszczelek bywa zabójczy.

1. Utlenianie (Oksydacja): Tlen reaguje z łańcuchami polimerowymi, powodując ich pękanie (scisję). Gdy długie łańcuchy rozpadają się na krótsze fragmenty, guma traci swoją wytrzymałość mechaniczną i staje się lepka lub mazista, a z czasem kruszeje.
2. Ozonoliza: To proces jeszcze bardziej agresywny. Ozon ($O_3$), nawet w śladowych ilościach (często generowany przez silniki elektryczne czy wyładowania atmosferyczne), atakuje podwójne wiązania węgiel-węgiel w strukturze gumy. Powoduje to powstawanie charakterystycznych głębokich pęknięć prostopadłych do kierunku naprężenia uszczelki.

Promieniowanie UV i temperatura

Jeśli uszczelka jest wystawiona na działanie słońca, proces niszczenia drastycznie przyspiesza. Promieniowanie ultrafioletowe dostarcza energii wystarczającej do bezpośredniego zrywania wiązań chemicznych. Jest to proces fotochemiczny, który inicjuje powstawanie wolnych rodników, a te lawinowo niszczą strukturę polimeru.

Temperatura działa tutaj jak katalizator. Zgodnie z regułą van't Hoffa, podniesienie temperatury o 10 stopni Celsjusza może dwu- lub nawet czterokrotnie przyspieszyć reakcje chemiczne. Dlatego uszczelki w komorze silnika parcieją znacznie szybciej niż te w drzwiach lodówki.

Fizyczny aspekt: ucieczka plastyfikatorów

Nie wszystkie zmiany mają podłoże czysto chemiczne. Aby uszczelki były miękkie, producenci dodają do mieszanki gumowej tzw. plastyfikatory. Są to substancje, które „rozpychają” łańcuchy polimerowe, ułatwiając im przesuwanie się względem siebie.

Z biegiem czasu plastyfikatory mogą:

• Wypłukiwać się (pod wpływem wody lub chemikaliów),
• Odparowywać (szczególnie w wysokich temperaturach),
• Migrować do innych materiałów, z którymi styka się guma.

Gdy plastyfikator zniknie, uszczelka twardnieje i traci zdolność do uszczelniania, stając się podatną na pękanie przy najmniejszym ruchu.

Proces niszczenia krok po kroku – wyjaśnienie naukowe

Oto jak w uproszczeniu wygląda mechanizm degradacji chemicznej uszczelki (np. z kauczuku naturalnego lub SBR):

1. Inicjacja: Czynnik zewnętrzny (ciepło, światło UV) dostarcza energii, która powoduje oderwanie atomu wodoru od łańcucha polimeru. Powstaje wolny rodnik polimerowy ($R\bullet$).
2. Propagacja: Wolny rodnik reaguje z cząsteczką tlenu z powietrza, tworząc rodnik nadtlenkowy ($ROO\bullet$). Ten z kolei atakuje kolejny fragment polimeru, wyrywając z niego wodór i tworząc wodoronadtlenek ($ROOH$) oraz nowy rodnik polimerowy. Reakcja staje się samonapędzającym się łańcuchem.
3. Destrukcja struktury: Wodoronadtlenki są nietrwałe i rozpadają się, co prowadzi do pękania głównych łańcuchów polimeru (guma staje się słaba) lub do niekontrolowanego sieciowania (guma twardnieje i pęka).
4. Efekt końcowy: Na powierzchni pojawiają się mikropęknięcia, które pod wpływem naprężeń fizycznych powiększają się, prowadząc do całkowitego zniszczenia elementu.

Wynik: Uszczelka traci szczelność, staje się krucha i przestaje pełnić swoją funkcję techniczną.

Czy można temu zapobiec?

Choć procesu starzenia nie da się całkowicie zatrzymać, można go znacznie spowolnić. Współczesna inżynieria materiałowa stosuje kilka trików:

• Antyozonanty i antyoksydanty: To specjalne dodatki chemiczne, które „poświęcają się”, reagując z tlenem i ozonem zamiast polimeru.
• Stosowanie EPDM: Wiele nowoczesnych uszczelek (np. okiennych czy samochodowych) wykonuje się z kauczuku etylenowo-propylenowo-dienowego (EPDM). Nie posiada on podwójnych wiązań w głównym łańcuchu, dzięki czemu jest niemal całkowicie odporny na ozon i warunki atmosferyczne.
• Konserwacja silikonem: Preparaty na bazie silikonu tworzą barierę odcinającą dostęp tlenu i wilgoci, a jednocześnie pomagają utrzymać elastyczność powierzchniową.

Ciekawostka: Dlaczego stare opony „puchną” lub pękają od stania?

Często myślimy, że nieużywana guma powinna trzymać się lepiej. Nic bardziej mylnego! W oponach samochodowych znajdują się woski i antyoksydanty, które są uwalniane na powierzchnię gumy podczas pracy (uginania się opony). Gdy samochód stoi miesiącami w jednym miejscu, te substancje ochronne nie krążą w strukturze, co sprawia, że guma staje się bezbronna wobec ozonu. To dlatego opony w „garażowych znaleziskach” często wyglądają na sparciałe, mimo niemal nowego bieżnika.