Guma w oponie, uszczelka w oknie, miękka rączka narzędzia i podeszwa buta to przykłady wyrobów, które łączy jedna cecha: po odkształceniu wracają do pierwotnego kształtu. Za tę właściwość odpowiada szczególna grupa polimerów, która od lat ma stałe miejsce w przemyśle motoryzacyjnym, budowlanym, medycznym i konsumenckim. Czytelnicy zainteresowani tworzywami sztucznymi często zadają sobie pytanie, czym te materiały różnią się od zwykłych plastików i dlaczego jedne można przetwarzać wielokrotnie, a inne nie. Wybór odpowiedniego typu wpływa na trwałość, odporność na warunki pracy i koszt gotowego wyrobu. Poniżej wyjaśniamy, skąd bierze się sprężystość, jak dzielą się główne grupy, czym różnią się ich właściwości i gdzie są stosowane. Osobna część dotyczy przetwórstwa i recyklingu.
Czym są elastomery i skąd bierze się ich sprężystość
Materiały zaliczane do grupy, jaką tworzą elastomery, to polimery o bardzo dużej odkształcalności. Można je rozciągnąć wielokrotnie względem pierwotnej długości, a po usunięciu obciążenia wracają do wyjściowego kształtu. Ta zdolność wynika z budowy cząsteczek: długie, poskręcane łańcuchy w stanie spoczynku układają się w sposób nieuporządkowany, a pod wpływem siły rozprostowują się.
O powrocie do kształtu decyduje to, że łańcuchy są ze sobą powiązane, fizycznie lub chemicznie, w punktach zwanych węzłami. Dzięki nim cząsteczki nie przesuwają się trwale względem siebie, tylko dążą do powrotu do stanu o największej swobodzie ułożenia. Istotna jest też temperatura zeszklenia: w typowych warunkach użytkowania musi być niższa niż temperatura otoczenia, bo inaczej materiał byłby sztywny i kruchy.
Elastomery termoplastyczne i usieciowane, czyli dwa odmienne światy
Podstawowy podział dotyczy rodzaju wiązań między łańcuchami. W elastomerach usieciowanych, czyli klasycznych kauczukach po wulkanizacji, połączenia mają charakter chemiczny i są trwałe. Po uformowaniu wyrobu nie da się go ponownie stopić. Taki materiał jest bardzo stabilny wymiarowo i dobrze znosi długotrwałe obciążenia.
Elastomery termoplastyczne działają inaczej. Ich węzły mają charakter fizyczny i pod wpływem ciepła ulegają rozmiękczeniu, a po ostygnięciu odtwarzają się. Dzięki temu można je przetwarzać metodami typowymi dla tworzyw termoplastycznych, na przykład wtryskiem czy wytłaczaniem. Do najczęściej omawianych grup należą:
kopolimery blokowe styrenowe,
termoplastyczne poliuretany,
elastomery poliolefinowe,
kopolimery poliestrowe i poliamidowe,
mieszanki termoplastyczne z fazą kauczukową.
Właściwości mechaniczne i chemiczne, które odróżniają poszczególne typy
Przy porównywaniu materiałów najczęściej ocenia się twardość, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie przy zerwaniu oraz trwałe odkształcenie po ściskaniu. Ta ostatnia cecha jest ważna w uszczelnieniach, bo pokazuje, czy element po długim docisku nadal będzie szczelny. Znaczenie ma również odporność na ścieranie i zdolność tłumienia drgań.
Równie istotna jest odporność chemiczna i środowiskowa. Jedne typy dobrze znoszą oleje i paliwa, inne ozon, promieniowanie UV czy wodę. Zakres temperatur pracy bywa bardzo różny: niektóre gatunki zachowują sprężystość na mrozie, inne wytrzymują wysoką temperaturę. Dlatego żaden rodzaj nie jest uniwersalny, a dobór zależy od warunków, w jakich element będzie pracował. Dokładne parametry podają karty techniczne producentów.
Zastosowania elastomerów w motoryzacji, budownictwie i wyrobach codziennych
W motoryzacji sprężyste materiały tworzą opony, uszczelki drzwi, przewody, osłony przegubów, elementy tłumiące drgania silnika i zawieszenia. Wnętrza samochodów zawierają także miękkie w dotyku okładziny i elementy wykończeniowe, często wykonane z odmian termoplastycznych.
W budownictwie służą do wykonywania uszczelek okiennych i fasadowych, taśm dylatacyjnych, membran dachowych oraz podkładek wibroizolacyjnych. Pozwalają one kompensować ruchy konstrukcji i rozszerzalność cieplną. W życiu codziennym spotykamy je w obuwiu, sprzęcie sportowym, rączkach narzędzi, zabawkach, kablach i wyrobach medycznych, takich jak wężyki czy korki. Każde z tych zastosowań stawia inne wymagania co do miękkości, trwałości i kontaktu ze skórą.
Przetwórstwo elastomerów i możliwości ich ponownego wykorzystania
Kauczuki usieciowane wymagają mieszania z dodatkami, formowania i wulkanizacji, co jest procesem dłuższym i bardziej energochłonnym. Odmiany termoplastyczne przetwarza się szybciej, a odpady produkcyjne, takie jak wypraski czy wlewki, można zwykle zmielić i wprowadzić z powrotem do procesu, o ile materiał nie uległ degradacji.
Odzysk wyrobów usieciowanych jest trudniejszy, bo nie dają się ponownie stopić. Stosuje się więc mielenie na granulat używany jako wypełniacz, na przykład w nawierzchniach sportowych, albo procesy dewulkanizacji i odzysku surowcowego. Rosnące znaczenie mają dlatego odmiany termoplastyczne, które łatwiej wpisać w obieg zamknięty, choć nie zawsze dorównują kauczukom pod względem odporności w trudnych warunkach.