Na czym polega proces starzenia się tworzyw?

Jak wszem wobec wiadomo, zjawisko starzenia jest nieuniknione. Tak samo jak śmierć i podatki. Jednak w dzisiejszym, zwariowanym świecie nie ma już żadnych świętości i oto okazało się, że naukowcom w USA udało się doprowadzić mięśnie dwuletniej myszy do stanu mięśni myszy sześciomiesięcznej, co odpowiada odmłodzeniu narządów 60-latka o 40 lat.

Od zarania dziejów człowiek stara się walczyć z upływającym czasem, czego dowodem jest wyśmienita kondycja finansowa koncernów kosmetycznych. Starzenie (po upływie określonego czasu użytkowania) to również jedna z niewielu wad, jakie posiadają wyroby z tworzyw sztucznych. I właśnie czas wymieniany jest najczęściej wśród czynników powodujących starzenie. Jest to wprawdzie jeden z parametrów zmiennych w tym układzie, jednak to nie on powoduje zmiany – bowiem zmiany zachodzą w czasie.

Z jednej strony wymagamy, aby tworzywa możliwie jak najdłużej zachowywały określone właściwości w przyjętym przedziale wartości, niezależnie od warunków i środowiska w jakim są użytkowane, z drugiej – zgodnie z tendencjami ekologicznymi – wytwory z tworzyw powinny być przyjazne dla środowiska i w zależności od swego przeznaczenia wykazywać dobrą podatność na utylizację. Jak zwykle zatem szukamy złotego środka, gonimy króliczka czy próbujemy odnaleźć świętego Graala.

Jak rozpoznajemy, że tworzywo sztuczne się zestarzało? Najczęściej są to zmiany w wyglądzie materiału, a następnie własnościach mechanicznych, które możemy określić za pomocą badań. Powszechnie znanym efektem jest zmiana barwy, wzrost kruchości, utrata połysku, a także spękanie powierzchni, które finalnie czynią wyrób polimerowy niezdatnym do użytku. Pod względem chemicznym są to zmiany w strukturze cząsteczkowej – pojawianie się grup funkcyjnych świadczących o degradacji materiału, zmiany w strukturze nadcząsteczkowej – rekrystalizacje i zmiany polimorficzne, a co za tym idzie obniżenie funkcjonalności poprzez zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej. Znajomość istoty i mechanizmów procesu starzenia oraz poznanie czynników wpływających na ten proces jest konieczne w celu otrzymania wytworów, od których wymagane jest prawidłowe i bezpieczne korzystanie w określonych warunkach przez cały przyjęty okres ich użytkowania. Zjawiska związane z procesem starzenia oraz warunkami użytkowania tworzywa wpływają na jego właściwości, determinując przede wszystkim odpowiedni jego wybór, jak również zaprojektowanie właściwego kształtu czy zastosowanie odpowiedniej metody jego przetwórstwa.

W odniesieniu do materiałów polimerowych, do najistotniejszych procesów destrukcyjnych należą termo- i fotodegradacja. Najczęściej zachodzą one jednocześnie, a ich działanie zdeterminowane jest rodzajem polimeru, obecnością w nim zanieczyszczeń, środków pomocniczych (takich jak barwniki czy wypełniacze), a także rodzajem produktów z nich wykonanych. Wiele polimerów ulega degradacji wywołanej przez zewnętrzne warunki atmosferyczne, w których reakcje fotochemiczne zachodzące pod wpływem fotonów słonecznego promieniowania ultrafioletowego i tlenu atmosferycznego powodują rozpad łańcuchów makrocząsteczek w wyniku pękania wiązań chemicznych. Najważniejsze i najłatwiej rozpoznawalne skutki wywołane fotoutlenianiem znanych materiałów przedstawiono w tabeli 1. Z kolei efekty, jakie może wywołać termoutlenianie, zestawiono w tabeli 2.

W środowisku naturalnym na tworzywo oddziałuje wiele czynników fizycznych, chemicznych, biologicznych i innych, wśród których najważniejsze to ciepło, tlen, wilgoć, promieniowanie UV, zanieczyszczenia chemiczne oraz naprężenia mechaniczne. Materiały polimerowe są eksponowane na warunki atmosferyczne w czasie użytkowania wyrobu. Dlatego też niezmiernie ważne jest poznanie wpływu, jaki wywierają na materiały polimerowe wymienione czynniki. Mogą one działać jednocześnie, a ich udział i natężenie zależą m.in. od stopnia zanieczyszczenia środowiska, strefy klimatycznej czy pory roku.

Jak badać starzenie?

Gdybyśmy chcieli poznać proces starzenia się materiałów polimerowych w warunkach naturalnych, to badania takie musiałyby trwać bardzo długo. Kto wie, może i kilka stuleci – w końcu już nawet małe dzieci wiedzą, że rozkład plastikowej butelki zajmuje co najmniej pół wieku. Dopiero po takim czasie moglibyśmy uzyskać wiarygodne wyniki, tylko kto tworzyłby przez te wszystkie lata niezbędną dokumentację?

Dlatego też koniecznością jest poznanie wpływu środowiska na materiały w warunkach w pełni kontrolowanych i odtwarzalnych, dających możliwość oceny ich oddziaływania na poszczególne parametry tworzywa. Mówiąc krótko, musimy sami sobie stworzyć odpowiednie warunki do badania degradacji. Należy jednak zdawać sobie sprawę, iż ekspozycja laboratoryjna nie jest w stanie w pełni symulować środowiska rzeczywistego, gdyż istnieją pewne odmienności warunków naturalnych od laboratoryjnych, takie jak: zmienne natężenie promieniowania UV, zmienny czas zraszania i okresy wilgotności oraz jej wahania, zmienne temperatury.

Wyodrębnić można kilka głównych kierunków badań zjawisk związanych z procesem starzenia się tworzyw. Pierwszy z nich obejmuje badania odporności na działanie mikroklimatu w miejscach położonych na różnych szerokościach geograficznych. Druga grupa ukierunkowana jest na badania wpływu stabilizatorów i środków opóźniających starzenie na szybkość postępowania tego procesu. Jeszcze inny zakres zagadnień dotyczy badania przebiegu procesów starzeniowych zachodzących w niekonwencjonalnych warunkach pomiarów, np. w podwyższonej temperaturze lub w środowisku sztucznym. Do kolejnej grupy zalicza się zaś analizę mechanizmów starzenia pod wpływem wybranych czynników zewnętrznych oraz prognozowanie zmian właściwości tworzywa na podstawie pomiarów krótkotrwałych.