Na czym polega proces starzenia się tworzyw?

Testy starzeniowe prowadzi się w tzw. komorach starzeniowych, w których można kontrolować warunki starzenia (wilgotność, temperatura, światło, atmosfera). Warunki starzenia dla poszczególnych materiałów opisane są w postaci norm i standardów (ISO, ASTM). Zmianę parametrów mierzy się za pomocą metod mechanicznych (rozciąganie, zrywanie), spektroskopii w świetle widzialnym oraz metod mikroskopowych. Każdy ze strukturalnych objawów degradacji może być oceniony za pomocą metod analitycznych: rekrystalizacja – dyfrakcja rentgenowska, stopień polimeryzacji – wiskozymetryczny pomiar lepkości, chromatografia cieczowa; utlenianie – spektroskopia w podczerwieni. Wszystkie efekty świadczące o zachodzącym procesie degradacji mogą być pierwszą oznaką, iż materiał nie jest w pełni zdolny do dalszego pełnienia przewidzianej dla niego funkcji, a jego nieprzerwane użytkowanie może być niebezpieczne.

Odporność tworzyw na działanie niekorzystnych zjawisk powodujących starzenie jest zróżnicowana i zależy od wielu czynników, przede wszystkim od temperatury i czasu. W celu określenia kryteriów charakteryzujących zmianę właściwości tworzywa stosuje się najczęściej dwa algorytmy poznawcze.

Pierwszy z nich doświadczalnie określa stopień intensywności oraz kinetykę zmian badanej właściwości, a następnie wyznacza równanie opisujące np. szybkość starzenia. Równanie takie pozwala na obliczenie w dowolnej chwili – w przybliżeniu określonym dokładnością aproksymacji – bieżącej wartości badanej wielkości, interesującej w danym przypadku. Drugi z algorytmów wyznacza krytyczny czas starzenia, tj. czas, po upływie którego następuje zmiana badanej właściwości o pewną ustaloną wartość. Za miarę odporności na starzenie można przyjąć utratę określonych właściwości fizyko-chemicznych (np. 50% utratę danej właściwości) na skutek działania określonego czynnika stanowiącego źródło starzenia, w ustalonych warunkach. Osiągnięcie krytycznego czasu starzenia najczęściej oznacza wyłączenie wytworu z użytkowania.

Niezależnie od przyjętej metody badań procesu starzenia, czas prowadzenia pomiarów jest na ogół znacznie krótszy od założonego czasu użytkowania wytworu z tworzywa. Otrzymane wyniki badań starzeniowych stanowią podstawę dalszej analizy opartej na wybranych metodach matematycznych, pozwalających na adekwatny opis zachodzących zjawisk. Wśród metod prognozowania, w literaturze najczęściej wymieniana jest analiza rozkładu zmiennej losowej, analiza regresji i analiza szeregów czasowych; wspomina się także o metodzie Arrheniusa. Poprawność wyboru odpowiedniego modelu matematycznego, na podstawie którego przyjmuje się algorytm obliczeniowy i przeprowadza symulację procesu, jest weryfikowana doświadczalnie w odniesieniu do rzeczywistych wyników. Wykorzystanie wybranych metod prognozowania pozwala na symulacyjne określenie stopnia zmian badanych właściwości wytworu zachodzących w okresie dłuższym niż założony czas badań.

Prognozowanie jest uznaną naukową metodą analizy zagadnień związanych z określaniem przyszłych zmian właściwości użytkowanych materiałów. Proces przewidywania i oceny modyfikacji, jakie mogą nastąpić w obiekcie badań, jest oparty na studiach teoretycznych, rozważaniach analitycznych, przesłankach logicznych oraz doświadczeniach praktycznych; wykorzystuje przy tym odpowiednie metody ilościowe, zwłaszcza o charakterze matematycznym – w tym statystycznym.

Wpływ temperatury

Ważna jest wytrzymałość na długotrwałe ogrzewanie lub, inaczej mówiąc, dopuszczalna temperatura długotrwałego ogrzewania i eksploatacji. Jednakże do tej pory nie ma dogodnej przyspieszonej metody oznaczania dopuszczalnej temperatury długotrwałego eksploatowania wyrobów z tworzyw sztucznych, co byłoby określeniem granicy stosowalności danego tworzywa. Temperatura w przypadku polimerów może wywoływać zmiany, które należy uwzględniać przy badaniu ich własności, których nie obserwuje się w przypadku innych materiałów takich jak: metale, szkło, materiały ceramiczne, a nawet drewno. Temperatura ma zasadniczy wpływ na prawie wszystkie ich własności. Wpływ ten wynika z trzech następujących przyczyn:

1. Przemiany fazowe polimerów zachodzą w stosunkowo niskich temperaturach, bliskich temperaturom użytkowania licznych urządzeń technicznych i gospodarczych.

2. Tworzywa sztuczne, jako związki organiczne, odznaczają się współczynnikiem liniowej rozszerzalności cieplnej w przybliżeniu 10-krotnie większym w porównaniu z wieloma materiałami tradycyjnymi. Pod wpływem temperatury zmienia się ich gęstość i inne właściwości z nią związane.

3. Od temperatury zależy przede wszystkim wpływ środowiska, w jakim tworzywo się znajduje. Wzrost temperatury przyspiesza agresywne działanie wielu cieczy na tworzywa sztuczne (np.: utlenianie lub hydroliza).