Proč jsou některé gumové výrobky po nějaké době odporně lepkavé?

Nezávislá skupina vědkyň a vědců z českých i zahraničních výzkumných institucí odpovídá na vaše dotazy. Některé odpovědi pak sdílí i na sociálních sítích Facebook, Instagram, Threads, Bluesky a zde na Médiu.

Popsat procesy v puchření gumy, které způsobí dojem lepivosti, vůbec není jednoduchý úkol a musíme se kvůli tomu ponořit do světa, který očima ani nevidíme. Jde tu totiž o to, jak fungují vazby/spoje mezi jednotlivými jednotkami materiálu, tzv. monomery.

Monomer je termín pro základní stavební prvek, něco jako cihlička, ze které stavíme daný materiál. Podle způsobu uspořádání těchto monomerů a jejich spojů se různé materiály výrazně liší svými vlastnostmi – třeba pevností, křehkostí, pružností nebo tvrdostí.

Jaká mohou být různá uspořádání monomerů v daném materiálu, nám názorně ukazuje přiložený obrázek – už na první pohled je nám jasné, že každý materiál se bude chovat jinak. Samotnou gumu zobrazuje část G.

Gumy jsou volněji síťované. Monomery jsou tedy omezené v pohybu vůči sobě, ale stále nějakou volnost mají – a to způsobí, že je guma jako materiál pružná (elastická – odtud plyne název pro podobné typy materiálů, říká se jim elastomery). Na rozdíl od plastů se však guma netaví ve vysoké teplotě.

Když už tedy víme, co to guma je, pojďme se podívat na to, jak se vlastně vyrábí. Proces výroby se nazývá vulkanizace. Při vulkanizaci se přírodní materiál jako třeba kaučuk vlastně „vylepšuje“ tím, že ho přinutíme, aby zesíťoval hustěji. Pomocí obrázku si to můžeme představit, jako by se z E a F postupně stávalo G a H. Čeho tím dosáhneme?

Chceme-li mít výsledné materiály pevné, tedy netekuté, negelovité a nelepivé, musíme je síťovat. To je důležité např. pro to, aby produkty držely tvar; taková pneumatika musí držet na disku a nafouknutá vzduchem nese celé auto!

Kromě pevnosti ale od elastomerů chceme, aby byly elastické, přilnavé, ba dokonce měkké a příjemné na omak. Pneumatiky také musí přilnout k vozovce. Proto do elastomerů přidáváme i látky, které výsledný výrobek změkčují. Princip funkce změkčovadel je na obrázku J.

Molekula změkčovadla se vklíní mezi řetězce polymeru a drží je „dál od sebe“, nemohou tedy na sebe vzájemně působit slabými mezimolekulárními silami, jsou pohyblivější, to dělá polymer tvárnější či pružnější.

Podobně to platí třeba pro polysacharidy, např. špagety, kde je takovým změkčovadlem voda – aby se špagety daly jíst, vaříme je ve vodě. Pouhým zahřátím by se plastickými nestaly. Gumy nezměkčujeme vodou, ale například různými dehty, oleji, ftaláty apod.

Působením vyšších teplot (např. v létě na přímém slunci, v interiéru auta atd.), UV záření ze Slunce a vzdušného kyslíku se mohou stát tři věci:

Lepivost je poměrně paradoxní vlastnost, která se i poměrně těžce definuje. Jedná se o odolávání všem tlakům i tahům ve všech směrech, kterými působíme k oddělení dvou těles od sebe.

Krycí a podložní sklíčko mikroskopu s kapkou vody drží velmi dobře na sobě, krycí sklíčko vám nepůjde oddělit směrem nahoru od podložního. Ale můžete je posunout do strany. Voda zde působí svým povrchovým napětím, není lepidlem. Podobně když strčíte lžičku do sklenice s medem, nepřijde vám, že med působí lepivě. Pokud něco položíte na stůl „upatlaný“ tenkou vrstvou medu, budete mít na věc hned jiný názor.

Půjdete-li v horkém létě po chodníku z velmi nekvalitního asfaltu, přilepíte se. Lépe se vám bude odlepovat v plátěných teniskách s ohebnou elastomerovou podrážkou než ve vojenských kanadách s podrážkou z pevného polymeru. U lepení hraje roli drsnost povrchů i povrchové napětí. Když si u balení vánočních dárků navlhčíte prsty vodou, lepicí páska se vám k nim lepit nebude. Otázka je, zdali pak bude lepit dál.

Puchření gumy a často pozorovaná lepivost materiálu jsou způsobeny několika důvody. Působením vyšších teplot (na přímém Slunci v létě, uvnitř automobilu atd.), vzdušného kyslíku a UV záření nejprve dochází k rozpadu části chemických vazeb vzniklých vulkanizací („síťováním“ gumy). Povrch gumy se po čase jeví jako méně elastický, rozpadající se a lepivý, což je způsobeno transportem molekul látek přidávaných do gumy, např. změkčovadel, zevnitř výrobku k jeho povrchu, a také kontaktem gumy s některými oleji či rozpouštědly. Uživatel sám může svůj výrobek snad lépe chránit před horkem a UV zářením a vyhnout se tomu, že výrobek přijde do kontaktu s oleji, krémy, rozpouštědly, ale více proti tomuto jevu udělat nejspíše nemůže, to musí výrobci.

Pro Zeptej se vědce odpovídal Honza

Dr. Jan David, bývalý postdoc a vyučující na Universität Koblenz-Landau (nyní Rheinland-Pfälzische Technische Universität), Německo

Odbornou revizi poskytla Ing. Pavla Hradová, ORLEN UniCRE a.s.

Odpověď editovali Ing. Kristýna Kantnerová, Dr. sc. ETH Zürich a Luděk Vašta

[1] Heinrich Gruber: Polymere – Vorlesungen, TU Wien, 2005

[2] Jan David: Angewandte physikalische Chemie – Vorlesungen, Universität Koblenz – Landau, 2014–2022

[3] Vratislav Ducháček: Polymery – výroba, vlastnosti, zpracování, použití, VŠCHT v Praze, 2005. ISBN 80-7080-241-3

[4] Leslie Howard Sperling: Introduction to physical polymer science, Wiley Interscience, Hoboken NJ, 2001, ISBN 0-471-32921-5

[5] https://doi.org/10.3390/recycling3040047

[6] https://doi.org/10.1016/0014-3057(87)90006-1

[7] Abdelkader Bouaziz, Université Ibn Khaldoun Tiaret, Sougueur, Alžírsko; Gyorgy Banhegyi, Medicontur Medical Engineering, Pest, Maďarsko: Zpráva na vědecké sociální síti ResearchGate.

[8] http://dx.doi.org/10.1063/1.882884

Projekt Zeptej se vědce propojuje vědeckou a nevědeckou veřejnost. Máte-li na vědce nějaký dotaz, zeptejte se nás na webu nebo sociálních sítích Facebook, Twitter, Instagram či Bluesky. Líbí se vám naše příspěvky? Budeme rádi, když podpoříte naši činnost: darujme.cz/projekt/1209422