Degradacja Tworzyw Sztucznych

08 października 2022
Tworzywa sztuczne są nazywane często, ze względu na swoją budowę – materiałami makrocząsteczkowymi. W odróżnieniu od materiałów o budowie mało-cząsteczkowej są zbudowane z powtarzających się części zwanych merami. Te struktury mogą być bardzo długie i niestety nie są tak „nieśmiertelne” i długowieczne jak by mogło się wydawać.

Jak większość materiałów polimery również podlegają procesom degradacji. Degradacją polimerów nazywa się ogólnie procesy prowadzące do rozpadu wspomnianych powyżej makrocząsteczek. Degradacja polimerów może występować pod wpływem bardzo różnych czynników: światła, ciepłem, kontaktem z substancjami chemicznymi i zawsze prowadzi do istotnych zmian własności fizykochemicznych. Przy czym najczęściej są to zmiany niekorzystne. Co ciekawe czasami wywołuje się je celowo, choć wtedy raczej mówimy o modyfikacji polimerów przez ich degradację.

Rozróżnia się następujące czynniki powodujące degradację polimerów i rodzaje degradacji od nich pochodzące:

  • Degradacja termiczna – polega na pękaniu łańcuchów przetwarzanego lub użytkowanego polimeru na skutek odziaływania podwyższonej temperatury. Wiąże się to ze zmniejszeniem właściwości mechanicznych (wytrzymałość, udarność, wydłużenie przy zerwaniu) a czasem również zmianą barwy, nadpaleniami i wydzielaniem gazowych produktów degradacji (związki małocząsteczkowe, które przybierają postać gazową),
  • Degradacja chemiczna – jej mechanizm jest podobny do degradacji termicznej i polega na skracaniu łańcuchów na skutek oddziaływania agresywnego środowiska chemicznego. Czynnikami chemicznymi mogą być różne związki, substancje (kwasy, zasady, estry, woda, para wodna i inne) lub pierwiastki takie jak tlen O2 czy ozon O3. Oddziaływanie czynników chemicznych wzmaga wyższa temperatura w, której przebywa polimer. Jest to uwarunkowane większą ruchliwością poszczególnych atomów tworzących łańcuch polimerowy,
  • Degradacja fotochemiczna – szczególnie istotna w przypadku polimerów ze względu na rozpad zarówno cząsteczkę samego polimeru jak i substancji barwiących. Często ten rodzaj degradacji ujawnia się zmianą barwy (blaknięcie barw) połączone z pojawiającymi się pęknięciami lub ogólna zmianą właściwości wytrzymałościowych. Dzieje się tak pod wpływem zaabsorbowane energii promieniowania UV, która powoduje wzbudzanie poszczególnych atomów tworzących łańcuch i wybijanie ich z makrocząsteczki.
  • Degradacja radiacyjna – w odróżnieniu od fotodegradacji jej czynnikiem jest promieniowanie wysokich energii (promieniowanie elektromagnetyczne X, gamma, neutronowe itp.). Raczej niespotykany rodzaj degradacji w codziennym użytkowaniu tworzyw sztucznych. Jednak bardzo często stosuje się ten typ oddziaływania w celu tzw. sterylizacji radiacyjnej wyrobów medycznych lub spożywczych (również tych z tworzyw).
  • Degradacja biologiczna – nazywana także biodegradacją, w której czynnikami rozpadu łańcuchów tworzyw na prostsze związki są enzymy, których źródłem są mikroorganizmy. Biodegradacja zachodzić może zarówno w polimerach pochodzenia naturalnego (PLA) oraz syntetycznych pochodzących ze źródeł nieodnawialnych, jednak w przypadku tych drugich nie można mówić o zamianie polimeru w biomasę i pełna asymilację przez mikroorganizmy a jedynie zmniejszenia masy cząsteczkowej (niestety często jest to równoważne z powstawaniem „mikroplastiku”).
  • Degradacja mechaniczna – zwana często „mechanodegradacją”, to degradacja pod wpływem odkształceń wywołanych deformacją (rozciąganie, ściskanie, zginanie) elementów wykonanych z tworzyw sztucznych. Użytkowanie tworzyw w sposób nieodpowiedni i przekraczanie maksymalnych wartości odkształceń lub naprężeń powoduje do nieodwracalnych zmian w budowie makrocząsteczkowej i spadkiem wytrzymałości.

Niestety podczas użytkowania wyrobów z tworzyw sztucznych bardzo często oddziałujemy na nie wieloma różnymi czynnikami jednocześnie z różną intensywnością. Dlatego trudno jest ocenić na drodze zwykłej eliminacji wielkość wpływu danego czynnika na stopień degradacji, tym bardziej, że czasami są to procesy trwające latami. Nawet przyspieszone testy starzenia polimerów pod wpływem różnych czynników nie mogą być przeniesione 1:1 na wszystkie produkowane elementy, gdyż w tym przypadku ważna jest grubość ścianki, orientacja makrocząsteczkowa, naprężenia własne, kształt wypraski i szereg innych czynników charakterystycznych dla danego kształtu. Dlatego w branży lotniczej i samochodowej wykonuje się miesiącami dziesiątki testów na detalach zanim wejdą do produkcji seryjnej.

Powyżej opisano rodzaje degradacji gotowych wyrobów wykonanych z tworzyw sztucznych, a przecież tworzywo można zdegradować już na etapie przetwórstwa w układach przetwórczych (uplastyczniających). Najczęściej wtedy degradacja zachodzi po wpływem temperatury i zmian fizykochemicznych zachodzących w polimerze w stanie stopionym lub płynnym.

Podczas uplastyczniania tworzywa w układzie uplastyczniającym zależy nam na jego szybkim doprowadzeniu do stanu płynnego aby móc go wtrysnąć lub przetłoczyć przez narzędzie. Jednak podczas tego zabiegu, nieumiejętnie ustawiając parametry, możemy doprowadzić do degradacji termicznej połączonej z degradacją chemiczną. Nie tylko zbyt wysoka temperatura ustawiona na grzałkach układu uplastyczniania, zbyt duża szybkość obrotowa czy przeciwciśnienie uplastyczniania mogą spowodować przegrzanie tworzywa i doprowadzenie do jego degradacji. Również nieprawidłowo dobrany układ pod względem objętości do objętości wtryskiwanej powodować może zbyt długie zaleganie tworzywa w układzie i jego degradację. To samo dotyczy układów gorąco kanałowych czy odpowiedniego doboru przewężek w formach wtryskowych.

Jak widać na każdym etapie pracy z tworzywami i wyrobami z tworzyw trzeba uważać na czynniki, które mogą wywołać ich degradację. Należy zwracać uwagę na wszystkie oznaki degradacji: zmiana koloru, kruchość wyprasek, nieprzyjemny zapach podczas przetwórstwa, gazowanie tworzywa, przypalenia, delaminacja, pęknięcia powierzchniowe itp.

Autor: Eksperci GA
Źródło: Eksperci GA