Trochę historii

Wielu czytelników zapewne pamięta niezbyt odległe czasy, starych, skręcanych z dwóch części i niedomykających się okien. Ich izolacyjność termiczna była bardzo niska, nie mówiąc już od szczelności na przenikanie powietrza czy wody opadowej. Przed zimą doskonale sprzedającymi się materiałami budowlanymi były wata i paski gąbki do ich uszczelniania. Z czasem pojawili się fachowcy, którzy zakładali w oknach paski specjalnie uformowanej sprężystej taśmy stalowej lub aluminiowej pełniącej rolę uszczelki. Po kolejnych kilku latach na rynku pojawił się hit, uszczelki w kształcie okręgu ze stopką mocującą montowane przez przeszkolonych montażystów. Uszczelki miały różne średnice, od 5 do 10mm, w zależności od wielkości szczeliny. Fachowcy frezowali w ramie okiennej rowek, w którym umieszczali taką uszczelkę. Równolegle na rynku pojawiły się, funkcjonujące do dzisiaj, uszczelki samoprzylepne. Ich zróżnicowane rozmiary umożliwiają dokładne uszczelnienie nawet bardzo sfatygowanych okien. Niestety nie jest to rozwiązanie trwałe. Dopiero pojawienie się drewnianych Eurookien i okien z PCV rozwiązało problem szczelności. Nieodłączną ich częścią jest uszczelka gumowa.

Historia pierwszych wyrobów gumowych ukryta jest w mrokach historii. Mówi się, że Krzysztof Kolumb podczas swojej drugiej wyprawy do Ameryki widział rdzennych mieszkańców Hispanioli (Haiti) grających bardzo elastycznymi piłkami. Niezwykłym dla niego był fakt, że piłki te odbijały się dużo lepiej niż te używane wtedy w Europie. Ze względu na swoją masę, były pełne w środku, odbijane były biodrami. Ostatnie badania dowiodły, że ludy Indii Zachodnich oraz Centralnej i Południowej Ameryki były zaznajomione i używały gumy do różnych celów dużo wcześniej niż ktokolwiek w pozostałej części świata. Do anegdot należy relacja jednego z podróżników, który widział Indian amazońskich chodzących w kaloszach. Zaskakująca była produkcja takich butów, Indianie smarowali swe stopy mleczkiem kauczukowym, a następnie wkładali je na krótko w ogień by utrwalić tą prestiżową ozdobę.

Pnie drzewa „Hewea brasiliensis” po nacięciu wydzielają białe mleczko kauczukowe, tzw. Lateks naturalny. Produkt skoagulowany jest elastyczny i miękki. Pierwszą osobą, która opisała ten surowiec był Charles Marie de la Condamine , francuski uczony, a zrobił to w połowie XVIII w. Produkt nazwał „caoutchouc”.

Na początku XVI wieku kawałki gumy po raz pierwszy zostały przywiezione na Stary Kontynent, do Hiszpanii. Przez długi czas uznawane były za osobliwość Nowego Świata. Upłynęło dużo czasu zanim naukowcy i przedsiębiorcy byli w stanie wprowadzić ten surowiec do powszechnego użycia. Pomimo faktu, że rozwój technologii produkcji gumy, aczkolwiek wolno, trwał przez wiek XVI, XVII i XVIII, ciągle do rozwiązania pozostawał ten sam problem. Znaleźć sposób na pozbycie się największej wady ówczesnej gumy, jaką była jej twardnienie i kruchość w niskich temperaturach i nadmierna miękkość oraz lepkość w wysokich.

W pierwszej połowie XIX wieku podejmowano próby rozwiązania tego problemu w Niemczech, Wielkiej Brytanii i Stanach Zjednoczonych. I to właśnie Amerykanin, Charles Nelson Goodyear, w 1839 roku po wielu latach prób i osobistych poświęceń odkrył, że jeśli do gumy doda się odrobinę siarki i podgrzeje się ją to finalny wyrób uzyskuje pożądane właściwości. Jest tak samo elastyczny i miękki w szerokim zakresie temperatur. To odkrycie, które zostało opatentowane w 1844 roku znane jest dzisiaj jako wulkanizacja. Wulkanizacja to proces, w którym guma poprzez zmianę swej struktury chemicznej staje się elastyczna w bardzo szerokim zakresie temperatur. Odkrycie wulkanizacji było tak ważne, że bez niej przemysł gumowy nigdy nie rozwinąłby się do takiego stopnia jak dzisiaj. Właśnie datę odkrycia opisywanego procesu przyjmuje się za narodziny przemysłu gumowego. W ciągu następnych stu lat odkryto wiele substancji aktywujących i przyspieszających wulkanizację, zabezpieczających gumowe wyroby przed nadmiernym zużyciem oraz poprawiających ich własności mechaniczne. Motorem tych odkryć był gwałtownie rozwijający się przemysł motoryzacyjny, którego zapotrzebowanie na wyroby gumowe, głównie opony i węże gwałtownie rosło. Opona pneumatyczna została wynaleziona w roku 1888 przez J.B. Dunlop’a.

Brazylia była w tym czasie monopolistą w produkcji, i pilnie strzegła tajemnic upraw. W latach siedemdziesiątych XIX wieku udało się jednak przemycić kilkadziesiąt tysięcy nasion Hewea do Anglii, gdzie pod Londynem udało się wyhodować ponad dwa tysiące sadzonek. Przewieziono je na Cejlon i tam zapoczątkowano pierwsze plantacje drzew kauczukowych. W późniejszym czasie założono również plantacje Hewea w Indiach, Singapurze i na Jawie. Na początku XX wieku guma naturalna, której głównym składnikiem było mleczko kauczukowe tzw. lateks naturalny, była bardzo droga. Stymulowało to poszukiwania substancji zastępczej – gumy syntetycznej. Prace te zostały spowolnione lub wstrzymane tuż przed wybuchem I Wojny Światowej, kiedy to ceny naturalnego kauczuku gwałtownie spadły. Dopiero wynalezienie silnika spalinowego i rola, jaką uzyskał w procesie rozwoju motoryzacji ponownie wymusiła na naukowcach pracę na wynalezieniem kauczuku syntetycznego. Pod koniec lat 20 ubiegłego stulecia odkryto dwa kopolimery: styren-butadien (SBR) i nitryl-butadien (NBR). Otworzyło to drogę do przemysłowej produkcji syntetycznej gumy. W 1930 roku światowe zużycie sztucznej gumy było na poziomie 100 tys. ton, co stanowiło ok. 10% zużycia gumy. Podczas II Wojny Światowej, produkcja syntetycznej gumy, szczególnie na bazie SBR dramatycznie wzrosła, przede wszystkim z powodu blokady dostaw surowca naturalnego z Malezji. Od roku 1943 do 1945 produkcja sztucznej gumy w Stanach Zjednoczonych wzrosła z 30 tys. ton do 900 tys. ton. Pod koniec II Wojny Światowej było już sześć handlowych substytutów gumy naturalnej. Dzisiaj, w zależności od metody klasyfikacji, mamy od 30 do 35 różnych odmian syntetycznej gumy. Każdy rodzaj gumy ma pewne unikalne właściwości, które powodują, że nadaje się ona do bardzo konkretnych zastosowań. Spośród szerokiej gamy różnych odmian gumy warto wspomnieć o:

W branży stolarki okiennej najpowszechniejsze są guma silikonowa, i to zarówno ta wulkanizowana na gorąco obecna na rynku w postaci różnego rodzaju uszczelek, jak i ta wulkanizowana na zimno, pod wpływem wilgoci z powietrza, obecna w handlu po postacią past silikonowych do szklenia oraz EPDM. Różnią się one od siebie przede wszystkim pod względem własności mechanicznych.

Do najczęściej wymieniany własności gumy należą:

Historia TPE, innego powszechnie używanego do produkcji uszczelek materiału jest znacznie krótsza. Pierwsze plastyczne PCV zostało wyprodukowanie w 1926 roku przez Waldo Semon’a pracującego dla firmy B.F.Goodrich. Jego własności mechaniczne były zbliżone do gumy. Sprzedawano go pod handlową nazwą Koroseal. Zgłoszenie tego materiału do opatentowania nastąpiło dopiero w 1940 roku. W 1947 roku firma Goodrich zaczęła sprzedawać komponent NBR/PVC pod nazwą Geon Polyblend. Jednak podstawowa reakcja umożliwiająca produkcję poliuretanów została po raz pierwszy przeprowadzona przez profesora Otto Bayera w laboratorium I.G.Farben w Leverkusen w Niemczech. Późniejsze prace z poliuretanami w latach 40-tych i 50-tych XX wieku przez firmy Bayer, Du Pont, Goodrich czy ICI umożliwiły produkcję wyrobów o własnościach mechanicznych zbliżonych do gumy. W 1961 roku w laboratorium firmy Shell technicy pracujący na wynalezieniem materiału zbliżonego do gumy opracowali polimer blokowy o nazwie SBS (styren-butadien-styren). Testy wykazały, że wyroby na bazie SBS wykazują bardzo dużą wytrzymałość na rozciąganie i są bardzo elastyczne. W roku 1965 surowiec ten był już dostępny w handlu pod nazwą Kraton. W 1978 A.Y.Coran i R.P.Patel opublikowali swą pracę na temat mieszanki stopionego polipropylenu i wulkanizowanego EPDM. W handlu dostępnej od 1983 roku pod nazwą Santopren. Ten nowy surowiec składający się z masy termoplastycznej z zatopionymi w niej cząstkami zwulkanizowanej gumy nosi nazwę termoplastycznych wulkanizatorów (TPV) w przeciwieństwie do SBS czy SEBS (styren-etylen-butyl-styren), które zwane są elastomerami termoplastycznymi (TPE). Połączenia składników w tych nowych materiałach są mechaniczne, a nie chemiczne jak w przypadku gumy. Poszczególne składniki odpowiadają za zachowanie się materiału w różnych warunkach i własności mechaniczne wyrobu. Nowe wyroby mają wiele zalet, należą do nich: łatwość produkcji w dużej gamie kolorystycznej, możliwość recyklingu, duży zakres twardości, oraz niska cena.

Preferencje producentów okien, co do rodzaju materiału, z którego wyprodukowane są uszczelki zmieniają się w zależności od tego czy dany system bazuje na aluminium, PVC czy drewnie. Da się tu zaobserwować podział na dwie grupy, uszczelki z elastomerów wulkanizowanych, z których najpopularniejszy jest EPDM oraz uszczelki pozostałe.

Producenci wyrobów z aluminium wolą EPDM, a producenci wyrobów z drewna w zdecydowanej większości stosują uszczelki z drugiej grupy. Wynika ta w dużej mierze z faktu, że klienci nabywający okna drewniane preferują uszczelki kolorystycznie dobrane do koloru okna. Najpopularniejsze kolory uszczelek to: mleczny transparentny, biały, szary, beżowy, brązowy, brązowy rustykalny i czarny. Pasują one do spotykanej obecnie gamy kolorystycznej okien drewnianych, od bieli poprzez beż, różne odcienie brązu aż do czerni.

Możliwość barwienia elastomerów termoplastycznych nie jest zaletą w przypadku wyrobów z aluminium. Gama kolorystyczna profili z aluminium obejmuje niemal wszystkie kolory tęczy i na dzień dzisiejszy nikt nie myśli o dobieraniu koloru uszczelki do koloru profilu. Uznano, że czarny jest kolorem uniwersalnym, pasującym do wszystkiego. Producenci wyrobów z PVC, którzy do niedawna powszechnie stosowali uszczelki z EPDM w ostatnich latach coraz częściej stosują uszczelki z materiałów termoplastycznych. Ponadto umieszczają je w profilach okiennych podczas ich produkcji. Procesy te są określane jako koekstruzja – aplikacja uszczelki w momencie wytłaczania profilu okiennego i postekstruzja – aplikacja uszczelki tuż po wytłoczeniu profilu okiennego. Technologia ta skraca proces produkcji okna eliminując jeden z etapów jego produkcji, czyli aplikację uszczelek oraz zmniejsza ilość pozycji magazynowych u producenta okien. W zdecydowanej większości przypadków koekstruzja czy postekstruzja dotyczy uszczelek z TPE czy TPV. Wynika to z łatwość produkcji okna z uprzednio umieszczoną uszczelką z elastomeru termoplastycznego, która może być zgrzewana w narożach w tym samym czasie, w tej samej temperaturze i na tej samej zgrzewarce, co profil okienny, zapewniając tym samym szczelność na całym obwodzie okna. EPDM jako materiał nietopliwy nie daje takiej gwarancji szczelności.

Przy tej okazji nie można pominąć uszczelek na bazie pianki poliuretanowej. Jest to nowa, specyficzna konstrukcja polegająca na połączeniu powstającej z żywicy poliestrowej pianki poliuretanowej (PU) będącej wypełnieniem i powlekającego ją cienkiego płaszcza z polietylenu (PE). Polietylen, który jest odporny na kwasy, zasady, sole i większość związków organicznych nie wchodzi w reakcje chemiczne z używanymi w przemyśle farbami i lakierami i, dodatkowo, jest łatwy do utrzymania w czystości. Częścią nośną tego rodzaju uszczelek jest twardy polipropylenowy (PP) tył. Polipropylen, podobnie jak polietylen, jest termoplastem o strukturze częściowo krystalicznej, ale o zwiększonej wytrzymałości i sztywności. Nadmienić należy, że pianka poliuretanowa jest bardzo dobrym termoizolatorem o niskim współczynniku przewodności cieplnej U od 0,025 do 0,028. Jest także bardzo dobrym izolatorem akustycznym.

Nie jest to z pewnością koniec prac nad materiałami, z których można produkować uszczelki. Choć wydaje się, że możliwości tradycyjnego materiału jakim jest guma powoli się wyczerpują, w odwodzie są takie materiały jak TPE, TPV czy inne jeszcze nie nazwane, nad którymi trwają prace w laboratoriach największych koncernów chemicznych. Czerpią one to, co najlepsze z pierwowzoru i dodają wiele innych ciekawych i porządanych przez rynek cech.

mgr inż. Marcin Różalski