Propiedades Mecánicas y Procesamiento de Polímeros

Comportamiento Mecánico de los Polímeros

Comportamiento Esfuerzo-Deformación

En los polímeros plásticos, el punto de fluencia es el punto máximo al cual se presenta el término de la región elástica lineal. El esfuerzo en este punto es el límite elástico (σy). La resistencia a la tracción (TS) corresponde al esfuerzo al cual ocurre la rotura. La resistencia mecánica de estos polímeros plásticos se suele tomar como la resistencia a la tracción.

Los polímeros son mecánicamente distintos a los metales. En primer lugar, poseen módulos de elasticidad muy variados. La resistencia a la tracción es mucho menor en los polímeros que para algunas aleaciones metálicas; sin embargo, los polímeros son mucho más deformables que los metales. Además, las propiedades mecánicas de los polímeros son mucho más sensibles a cambios de temperatura al aproximarse a la temperatura ambiente. Un incremento de temperatura produce:

  1. Disminución del módulo elástico.
  2. Reducción de la resistencia a la tracción.
  3. Aumento de la ductilidad.

La influencia de la velocidad de deformación también puede ser importante, siendo semejante una disminución de la velocidad de deformación a un incremento de la temperatura.

Deformación Macroscópica

Se alcanza el límite elástico superior: pequeña estricción en la sección de la probeta. Dentro de esta estricción, las cadenas se orientan, es decir, se alinean en forma paralela a la dirección del alargamiento, lo cual lleva a un aumento local de la resistencia. En consecuencia, hay una resistencia a que la deformación continúe en ese punto, y el alargamiento de la probeta prosigue por la propagación de la estricción. (Las cadenas se están orientando).

Fusión y Fenómeno de Transición Vítrea

La temperatura de fusión (Tm) y/o de transición vítrea (Tg) de un polímero se determina a partir de la gráfica del volumen específico frente a la temperatura. En los polímeros cristalinos, aparece un cambio de volumen específico a la Tm. Los materiales completamente amorfos presentan variación continua de volumen específico al fundir pero, al enfriarse, la pendiente de la curva experimenta una ligera disminución cuando alcanzan la Tg. Por debajo de Tg, el material se considera un sólido amorfo, por encima de Tg es un sólido elástico y luego un líquido viscoso. Los polímeros semicristalinos tienen un comportamiento intermedio y presentan tanto Tm como Tg (Tg ≈ 2/3 * Tm).

Deformación Viscoelástica

Un polímero amorfo puede comportarse como un vidrio a baja temperatura, como un sólido gomoelástico a temperaturas intermedias (T > Tg) y como un líquido viscoso cuando la temperatura se eleva aún más. Ante deformaciones relativamente pequeñas, prevalece el comportamiento viscoso o líquido elástico. A temperaturas intermedias, el polímero es un sólido gomoelástico que presenta las características mecánicas combinadas de estos dos extremos. Esta condición se denomina viscoelasticidad.

La deformación elástica es instantánea, lo que significa que ocurre una deformación total en el instante en que se aplica el esfuerzo, es decir, la deformación es independiente del tiempo. Al eliminar el esfuerzo, la deformación se recupera totalmente. En contraste, en el caso del comportamiento totalmente viscoso, la deformación no es instantánea, es decir, ante un esfuerzo la deformación depende del tiempo. Tampoco es reversible ni se recupera completamente después de eliminar el esfuerzo. En el comportamiento viscoelástico intermedio, la aplicación de un esfuerzo origina una deformación elástica instantánea seguida de una deformación viscosa dependiente del tiempo.

Módulo de Relajación Viscoelástico

El comportamiento viscoelástico de los materiales poliméricos depende del tiempo y de la temperatura. Las medidas del esfuerzo de relajación son una técnica para medir y cuantificar este comportamiento. En estos ensayos, una probeta se deforma inicialmente muy rápido a tracción hasta un nivel determinado de esfuerzo relativamente bajo. El esfuerzo necesario para mantener esta deformación disminuye con el tiempo debido a los procesos de relajación molecular que tienen lugar dentro del polímero. Podemos definir un módulo de relajación Er(t), un módulo elástico dependiente del tiempo para los polímeros viscoelásticos, como: Er(t) = σ(t) / εo. Además, la magnitud del módulo de relajación es función de la temperatura:

  1. Er(t) disminuye con el tiempo.
  2. Er(t) disminuye al aumentar la temperatura.

Gráfica Poliestireno Amorfo (atáctico)

  1. A las temperaturas más bajas, el material es rígido y frágil, y el valor de Er(t) al principio es virtualmente independiente de la temperatura. En este intervalo de temperaturas, las características de deformación-tiempo son elásticas. A nivel molecular, las largas cadenas moleculares están congeladas a estas temperaturas.
  2. A medida que aumenta la temperatura, Er(t) desciende súbitamente; a esto se le denomina la región de reblandecimiento o de transición vítrea, y la Tg se encuentra cerca del extremo superior de temperaturas. En este intervalo de temperaturas, la probeta del polímero está reblandecida, es decir, la deformación depende del tiempo y no es totalmente recuperable al retirarse la carga aplicada (comportamiento viscoelástico).
  3. Dentro de la región de temperaturas gomoelásticas, el material sufre una deformación gomoelástica; aquí están presentes los dos componentes, elástico y viscoso, y la deformación se facilita debido a que el módulo de relajación es relativamente bajo.
  4. Las dos últimas regiones son la de flujo gomoelástico y la de flujo viscoso, respectivamente. Al calentarse a estas temperaturas, el material experimenta una transición gradual hasta el estado sólido gomoelástico blando, y finalmente hasta un líquido viscoso.
  5. En la región de flujo gomoelástico, el polímero es un líquido muy viscoso que presenta componentes de flujo elástico y viscoso.
  6. En la región de flujo viscoso, el módulo disminuye drásticamente al aumentar la temperatura, siendo el comportamiento deformación-tiempo de características viscosas. Desde el punto de vista molecular, la movilidad de las cadenas se intensifica tanto que, en el flujo viscoso, los segmentos de cadenas experimentan movimientos vibratorios y de rotación completamente independientes unos de otros.

La velocidad de aplicación del esfuerzo también influye en las características viscoelásticas. El incremento de la velocidad de aplicación ejerce el mismo efecto que la disminución de la temperatura. La curva para un material amorfo es la misma que la descrita anteriormente. Para el poliestireno atáctico con pocos enlaces entrecruzados, la región gomoelástica forma una meseta que se extiende hasta llegar a la temperatura de descomposición del polímero. Este material no experimenta fusión. En un poliestireno isotáctico casi totalmente cristalino, la disminución de Er(t) en Tg es mucho menos pronunciada que en los otros materiales de poliestireno, ya que solamente una pequeña fracción de volumen de este material es amorfa y experimenta la transición vítrea.

Fluencia Viscoelástica

Muchos materiales poliméricos experimentan una deformación dependiente del tiempo cuando el nivel de esfuerzos se mantiene constante. A esta deformación se le denomina fluencia viscoelástica. Este tipo de deformación puede ser significativa aun a temperatura ambiente y con esfuerzos pequeños inferiores al límite elástico del material. El módulo de fluencia Ec(t) se define como: Ec(t) = σo / ε(t). σo es el esfuerzo aplicado constante, y ε(t) es la deformación dependiente del tiempo. El módulo de fluencia también es sensible a la temperatura y disminuye al aumentar ésta, porque al aumentar la temperatura, aumenta la deformación.

Fractura de Polímeros

La resistencia a la rotura de los materiales poliméricos es baja si se compara con los metales y cerámicas. Pueden representar fractura dúctil y frágil, y algunos materiales termoplásticos experimentan una transición dúctil-frágil con una disminución de la temperatura, incremento de la velocidad de deformación, alteración del espesor de la muestra o de su geometría. En algunos termoplásticos, el proceso de formación de grietas puede estar precedido de la microfisuración, que puede causar un aumento de la ductilidad y de la tenacidad del material.

Resistencia al Impacto

Puede ser de interés el grado de resistencia al impacto de un material polimérico (ensayos de Izod o Charpy). Al igual que los metales, los polímeros pueden exhibir fractura dúctil o frágil dependiendo de la temperatura, velocidad de la deformación, etc. Los polímeros semicristalinos y amorfos son frágiles a temperaturas bajas, y tienen resistencias al impacto relativamente bajas. Sin embargo, experimentan una transición dúctil-frágil en un intervalo de temperatura relativamente pequeño. La resistencia al impacto disminuye gradualmente a altas temperaturas cuando el polímero empieza a reblandecerse. Las dos características relacionadas con el impacto, más deseables, son elevada resistencia al impacto a temperatura ambiente y temperatura de transición dúctil-frágil inferior a la temperatura ambiente.

Fatiga

La resistencia a la fatiga y el límite de fatiga de los materiales poliméricos son mucho menores que en los metales. Además, es mucho más sensible a la frecuencia de carga que en los metales. Someter polímeros a un régimen cíclico de alta frecuencia y/o a esfuerzos relativamente grandes puede causar calentamiento localizado. En consecuencia, la falla puede deberse a un reblandecimiento del material en lugar de ser el resultado de los procesos de fatiga típicos.

Mecanismos de Deformación de Polímeros

  1. El inicio de la deformación elástica en los polímeros semicristalinos se debe a que las cadenas de moléculas en las regiones amorfas se estiran en la dirección del esfuerzo de tracción aplicado.
  2. En la segunda etapa continúa la deformación con cambios en las regiones amorfa (las cadenas amorfas siguen alineándose y se estiran) y cristalina (hay flexión y alargamiento de los enlaces covalentes fuertes de las cadenas dentro de las laminillas de cristalita).
  3. Ocurre la transición de la deformación elástica a plástica. Las cadenas adyacentes en las laminillas se deslizan unas respecto a otras, de modo que las laminillas se inclinan y las cadenas plegadas se alinean con el eje de tracción.
  4. Las laminillas se separan en segmentos de bloques cristalinos que permanecen unidos por las cadenas de unión.
  5. Los bloques y las cadenas de unión se orientan según la dirección del eje de tracción. Por tanto, una deformación a tracción apreciable en los polímeros semicristalinos conduce a una destrucción completa de las esferulitas y produce una estructura altamente orientada. Este proceso de orientación se denomina trefilado.

Procesado de Materiales Poliméricos

Existe una amplia variedad de técnicas para la conformación de materiales poliméricos. El método usado depende de varios factores:

  1. Si el material es termoplástico o termoestable.
  2. Si es termoplástico, de la temperatura de ablandamiento.
  3. La estabilidad atmosférica del material que se va a conformar.
  4. La geometría y tamaño del producto terminado.

La fabricación de los materiales poliméricos generalmente se lleva a cabo a temperaturas elevadas y usualmente mediante la aplicación de presión. Los termoplásticos se conforman por encima de la Tg si son amorfos o por encima de la Tm si son cristalinos. A medida que la pieza se enfría, debe mantenerse la presión aplicada, de modo que la pieza conformada conserve la forma. Una ventaja económica de los termoplásticos es que pueden reciclarse.

La fabricación de los polímeros termoestables generalmente se realiza en dos etapas. La primera es la preparación de un polímero lineal. La segunda se realiza en un molde que tenga la forma deseada, de forma que el material se convierta dentro en el producto duro y rígido. Esta segunda etapa se denomina “curado”, y en ella se forma una estructura reticulada. Después del curado, los termoestables pueden retirarse del molde mientras todavía están calientes, ya que ahora son dimensionalmente estables. Los termoestables son difíciles de reciclar, no funden, se utilizan a temperaturas mayores y son químicamente más inertes que los termoplásticos.

El moldeo es el método más común para la conformación de polímeros plásticos.

Moldeo por Compresión y Transferencia

Moldeo por Compresión

Se coloca una cantidad de mezcla de polímeros y aditivos entre las piezas machihembradas del molde. Las piezas del molde se calientan, siendo una de ellas removible. El molde se cierra y se aplica calor y presión, haciendo que el material plástico se haga viscoso y adquiera la forma del molde. Antes del moldeo, la materia prima puede mezclarse y prensarse en frío para darle forma de disco, a lo que se le denomina preforma. Esta técnica es apta para la fabricación de termoplásticos y termoestables; sin embargo, en los termoplásticos consume más tiempo y es más cara que la extrusión e inyección.

Moldeo por Transferencia

Los ingredientes sólidos se funden primero. El material fundido se inyecta en la cámara de moldeo; la presión se distribuye más uniformemente sobre todas las superficies. Este procedimiento se emplea en los polímeros termoestables.

Moldeo por Inyección

Es la técnica más ampliamente usada para la fabricación de materiales termoplásticos. La cantidad de material granulado pasa de la tolva de alimentación a un cilindro por el movimiento de un émbolo o pistón. La carga es empujada hacia delante hasta la cámara de calentamiento. El material termoplástico se funde para formar un líquido viscoso. De nuevo, el plástico fundido es impulsado por el movimiento del émbolo a través de la boquilla, para que entre en la cavidad cerrada del molde. La presión se mantiene hasta que la pieza ha solidificado. Se abre el molde, se retira la pieza, se cierra el molde y se repite el ciclo completo. La principal característica de esta técnica es la velocidad con la que se pueden producir las piezas. Plásticos termoestables también se pueden moldear por inyección (inyección a reacción).

Moldeo por Extrusión

Es el moldeo bajo presión de un termoplástico viscoso mediante una matriz abierta. Un tornillo mecánico impulsa a través de la cámara el material granulado, el cual es sucesivamente compactado, fundido y conformado. La extrusión tiene lugar al forzar la masa fundida a través del orificio de la matriz. La solidificación del segmento extruido se acelera mediante chorro de aire o de agua o mediante un baño. Esta técnica está especialmente indicada para producir segmentos continuos con una sección transversal de geometría constante.

Moldeo por Soplado

Se extruye una preforma o segmento de tubo de polímero. Mientras aún está en estado semifundido, la preforma se coloca en un molde de dos piezas que tiene la forma deseada del recipiente. La pieza hueca se conforma al soplar aire o vapor a presión dentro de la preforma, forzando a las paredes del tubo a que adquieran la forma del molde.

Colada

Los materiales poliméricos pueden conformarse por colada (como cuando se vacía un material plástico fundido en un molde y se deja solidificar). Tanto termoplásticos como termoestables se pueden colar. En los primeros, la solidificación tiene lugar por el enfriamiento a partir del estado fundido. En los segundos, el endurecimiento es una consecuencia del proceso real de polimerización o curado, el cual, generalmente, se realiza a temperaturas elevadas.

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