Co najczęściej niszczy uszczelki? Wpływ temperatury i promieniowania UV na ich degradację

Zdarza się, że mimo deklarowanej trwałości producenta uszczelki po kilku sezonach przestają pełnić swoją funkcję. Materiał pęka, twardnieje, odkształca się i traci szczelność. W wielu przypadkach problem nie wynika z błędów montażu, ale z warunków, w jakich pracuje profil. W tym kontekście jednymi z najbardziej antagonistycznych czynników są temperatura i promieniowanie UV. W tekście wyjaśnię, co dokładnie mogą zrobić z uszczelkami.

Degradacja uszczelki – czym jest, kiedy następuje i do czego się odnosi?

Przyjmuje się, że materiał osiąga kres swojej trwałości, gdy jego właściwości spadają do około 50% wartości początkowej. Degradacja uszczelki zachodzi jednak już wcześniej, ponieważ oznacza stopniową zmianę właściwości materiału, która prowadzi do pogorszenia jego zdolności uszczelniających. Nie chodzi wyłącznie o widoczne uszkodzenia, takie jak pęknięcia, ale także o mniej oczywiste zmiany – utratę elastyczności, odkształcenia czy spadek sprężystości.

Dlaczego uszczelki pękają, twardnieją lub się odkształcają?

Większość uszczelek podlega permanentnemu ściskowi. Przyspiesza to ich mechaniczne zużycie. Dużo groźniejsze niż nacisk okazuje się jednak dla nich stopniowa zmiana właściwości materiału.

Struktura tworzywa ulega degradacji zwłaszcza pod wpływem zmiennych temperatur, promieniowania UV oraz ozonu. Przekłada się to na zachowanie uszczelki w codziennym użytkowaniu, warunkując efektywność profilu. Uszczelki nadmiernie narażone na ekspozycję na promieniowanie UV lub oddziaływanie zmiennych temperatur są w większym stopniu zagrożone:

• utratą elastyczności,
• „twardnieniem" materiału,
• pękaniem lub kruszeniem się powierzchni,
• odkształceniami oraz brakiem powrotu do pierwotnego kształtu,
• pogorszeniem szczelności mimo braku widocznych uszkodzeń.

To, jak długo wytrzymuje uszczelka w trudnych warunkach zależy od rodzaju materiału oraz jego odporności na konkretny czynnik. Przykładowo uszczelka silikonowa lepiej znosi wysokie i niskie temperatury oraz ich wahania, a uszczelka EPDM – długotrwałe działanie czynników atmosferycznych, w tym promieniowania UV i wilgoci. Natomiast nawet poprawnie dobrana i zamontowana uszczelka może z czasem przestać działać prawidłowo, jeśli materiał nie jest dostosowany do warunków, w jakich pracuje.

Jak wpływa na uszczelki niska i wysoka temperatura?

Temperatura to czynnik wpływający przede wszystkim na trwałość uszczelek elastomerowych. Odnosi się to zarówno do niskich, jak i do wysokich wartości – zwłaszcza jeśli występują naprzemiennie. Dotyczy to często takich produktów jak uszczelka drzwi zewnętrznych, uszczelka bramy garażowej czy uszczelka okienna.

💡 Warto wiedzieć:

Odporność materiałów na temperaturę oraz ich trwałość określa się w warunkach laboratoryjnych, m.in. w badaniach starzenia cieplnego prowadzonych zgodnie z normą ISO 188. W kontekście prognozowania czasu życia elastomerów stosuje się również normę ISO 11346, która odnosi się do zależności między temperaturą a trwałością materiału.

Każda zmiana temperatury przyspiesza proces degradacji materiału. Szczególnie istotne są przy tym zjawiska starzenia cieplno-tlenowego oraz oddziaływanie ozonu. Degradacja elastomerów nie ma bowiem jednego charakteru, ale może mieć charakter:

• chemiczny,
• fizyczny,
• mechaniczny.

W rzeczywistych warunkach najczęściej jest jednak wypadkową współdziałania kilku procesów jednocześnie (np. degradacja fizykochemiczna).

Wysoka temperatura – przyspieszone starzenie i utrata właściwości

Podwyższona temperatura działa przede wszystkim jako katalizator procesów degradacyjnych. Wraz ze wzrostem temperatury rośnie szybkość reakcji chemicznych zachodzących w materiale. Prowadzi to do jego szybszego starzenia i oznacza, że uszczelka może:

• twardnieć i tracić elastyczność,
• pękać lub kruszeć,
• tracić zdolność do szczelnego przylegania.

Zjawisko to jest dobrze opisane w modelach naukowych, takich jak równanie Arrheniusa stosowane w analizie starzenia materiałów. Nie ma potrzeby, aby je tu rozpisywać. Warto jednak zaznaczyć, że na jego podstawie przyjmuje się często, że każdy wzrost temperatury o ~10°C może podwoić tempo degradacji elastomeru. W praktyce bywa różnie, ponieważ tego typu modele zakładają stały mechanizm degradacji, co w rzeczywistych warunkach nie zawsze bywa spełnione.

Niska temperatura – utrata elastyczności i ryzyko rozszczelnienia

Niska temperatura wpływa na uszczelki w zupełnie inny sposób. Zamiast przyspieszać degradację chemiczną, powoduje zmianę właściwości fizycznych materiału. W miarę spadku temperatury elastomer staje się coraz sztywniejszy, traci zdolność do odkształceń, a także może osiągnąć tzw. temperaturę kruchości, przy której zaczyna pękać. Uszczelka przestaje się wówczas dopasowywać do powierzchni, to zaś skutkuje utratą szczelności – nawet jeśli materiał nie uległ jeszcze trwałemu zużyciu.

Temperatura a rodzaj materiału uszczelniającego

W kontekście degradacji uszczelki pod wpływem niskiej lub wysokiej temperatury liczy się nie tylko deklarowany zakres, jaki wytrzyma materiał (np. od -40°C do +120°C). Duże znaczenie mają zmiany temperatury w czasie, tzn. czy uszczelka cyklicznie się nagrzewa i wychładza. Tego rodzaju warunki są typowe np. dla drzwi zewnętrznych, bram garażowych czy okien – gdzie materiał w ciągu doby może być nagrzewany przez słońce, a nocą wystawiony na niskie temperatury.

Powtarzalne zmiany prowadzą do zmęczenia materiału. Wówczas rozszerza się on i kurczy, a jego struktura ulega stopniowemu osłabieniu. Zmniejsza się także elastyczność i dzieje się to szybciej niż wynikałoby to z samego zakresu temperatur. Dwa materiały o podobnym „zakresie pracy" mogą zachowywać się zupełnie inaczej w rzeczywistych warunkach.

Tabela 1: Materiał uszczelki a zmiany temperatury

Promieniowanie UV a trwałość uszczelki

Promieniowanie ultrafioletowe oddziałuje na uszczelki przede wszystkim na poziomie ich struktury chemicznej. Długotrwała ekspozycja prowadzi do rozrywania wiązań w łańcuchach polimerowych, co inicjuje procesy utleniania i degradacji materiału. W efekcie elastomer stopniowo traci swoje właściwości, ponieważ zmienia się jego struktura, a wraz z nią zachowanie.

W przeciwieństwie do temperatury, która wpływa głównie na tempo starzenia, promieniowanie UV działa bezpośrednio na materiał, powodując jego powierzchniową degradację. Proces ten zachodzi najszybciej w warstwach zewnętrznych, które mają bezpośredni kontakt ze światłem. Degradacja wywołana UV pojawia się stopniowo. Początkowo często trudno ją zauważyć, z czasem jednak prowadzi do wyraźnych zmian. Tymi, jakie najczęściej obserwuję są:

• matowienie lub utrata jednolitej struktury powierzchni materiału,
• wzrost sztywności z jednoczesnym spadkiem elastyczności,
• kruszenie się materiału,
• wyraźne pogorszenie szczelności mimo braku dużych uszkodzeń mechanicznych.

W skrajnych przypadkach degradacja może prowadzić do całkowitego rozpadu warstwy powierzchniowej uszczelki.

Podobnie jak w przypadku temperatury degradacja uszczelki pod wpływem promieniowania UV rzadko zachodzi w oderwaniu od innych czynników. Niemal zawsze towarzyszą jej podwyższona temperatura oraz obecność tlenu, które przyspieszają proces degradacji. Uszczelki wystawione na słońce starzeją się szybciej niż te pracujące w cieniu, a szczególnie narażone na taką degradację są elementy zewnętrzne w oknach, drzwiach czy bramach. Uszkodzeniu pod wpływem długotrwałego działania UV może często ulec nawet materiał odporny na temperaturę. Odporność materiałów na promieniowanie UV jest badana m.in. według norm ISO 4892 oraz ASTM G154, które symulują długotrwałą ekspozycję na światło i pozwalają ocenić zmiany właściwości materiału w czasie.

Promieniowanie UV a rodzaj materiału uszczelniającego

Odporność uszczelki na promienie UV warunkowana jest rodzajem materiału, z jakiego jest wykonana. Różnice są tutaj znacznie większe niż w przypadku temperatury. Niektóre materiały praktycznie nie ulegają degradacji pod wpływem słońca, inne mogą tracić swoje właściwości już po jednym sezonie.

Odporność na UV wynika też często nie z samego polimeru, ale i dodatków stabilizujących stosowanych w mieszance. Z tego względu rzeczywista trwałość uszczelki może się różnić nawet w obrębie tej samej grupy materiałowej.

Tabela 2: Materiał uszczelki a promieniowanie UV

Do zastosowań zewnętrznych w oknach, drzwiach wejściowych czy bramach garażowych najlepiej sprawdzają się materiały o wysokiej odporności na UV, jak silikon i EPDM. Materiały takie jak NBR czy PVC powinny być stosowane przede wszystkim w środowiskach osłoniętych lub tam, gdzie ekspozycja na promieniowanie słoneczne jest ograniczona.

Źródła pomocnicze:

• Celina M., Review of polymer oxidation and its relationship with materials performance and lifetime prediction, Polymer Degradation and Stability, 2013, nr 98, s. 2419-2429, dostęp: linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S014139101300195X
• Gillen K.T., Bernstein R., Celina M., Non-Arrhenius behavior for oxidative degradation of polymers, Rubber Chemistry and Technology, 2005, nr 87(2), s. 335-346, dostęp: https://www.researchgate.net/publication/244357976_Non-Arrhenius_behavior_for_oxidative_degradation_of_chlorosulfonated_polyethylene_materials
• Lewandowski M., Pawłowska U., Degradacja elastomerów i przewidywanie czasu życia, „Elastomery", T. 20, nr 2, s. 24-30.
• Wise J., Gillen K.T., Clough R.L., Quantitative model for the time development of diffusion-limited oxidation profiles, Polymer, 1997, nr 38, s. 1929-1944, dostęp: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0032386196007161