Ensayo de tracción. Efecto del grado de cristalinidad. Materiales poliméricos amorfos y semicristalinos. R. Benavente

Transcripción

1 Ensayo de tracción Efecto del grado de cristalinidad. Materiales poliméricos amorfos y semicristalinos. R. Benavente

2 MATERIALES POLÍMEROS VENTAJAS EN EL PROCESADO FAVORABLEMENTE MATERIALES CLÁSICOS SELECCIÓN DE UN MATERIAL: Resistencia térmica Propiedades mecánicas Propiedades eléctricas Economía Naturaleza del procesado COMPORTAMIENTO DE UN POLÍMERO: Temperatura Tiempo

3 MATERIAL POLÍMERO Vítreo, quebradizo y duro Caucho Líquido viscoso PROPIEDADES MECÁNICAS Esfuerzo-deformación TRACCIÓN COMPRESIÓN FLEXIÓN CIZALLA temperatura

4 Factores estructurales que determinan el comportamiento mecánico Peso molecular entrecruzamineto copolímerización plastificación orientación molecular cargas Temperatura Variables externas Tiempo, frecuencia o velocidad deformación Presión Amplitud del esfuerzo o deformación entorno ambiental

5 Tipos de propiedades mecánicas (σ- ) relajación de esfuerzos deformación constante evolución del esfuerzo fluencia esfuerzo constante evolución de la deformación ensayos esfuerzo-deformación velocidad de deformación constante evolución del esfuerzo y la deformación ensayos mecanodinámicos deformación periódico evolución del esfuerzo periódico

6 Ensayos de Tracción NormaS UNE-EN ISO 527: Plásticos. Determinación de las propiedades en tracción Parte I. Principios generales Parte II. Condiciones de ensayo de plásticos para moldeo y extrusión Parte III. Condiciones de ensayo de plásticos para películas y hojas Parte IV. Condiciones de ensayo para plásticos compuestos isotrópicos y ortotrópicos reforzados con fibras Condiciones de ensayo para plásticos compuestos, unidireccionales reforzados con fibras Norma UNE 53190: 2001 Plásticos. Plásticos celulares. Determinación de las propiedades en tracción de los materiales rígidos Norma UNE 53417: 2001 Maquinaria para plásticos y caucho. Descripción de las máquinas para ensayos de tracción, flexión y compresión de plásticos y caucho con velocidad de desplazamiento constante.

7 OBJETO Y CAMPO DE APLICACION Los métodos propuestos se utilizan para estudiar el comportamiento en tracción. Resistencia a la tracción Módulo en tracción Deformación a rotura Tipos de Materiales: - Materiales termoplásticos rígidos y semirígidos para moldeo y extrusión, incluidas las composiciones cargadas y reforzadas, además de los tipos no cargados; hojas y películas de termoplásticos rígidos y semirígidos; - Materiales termoendurecibles rígidos y semirígidos para moldeo, incluidas las composiciones cargadas y reforzadas; hojas termoendurecibles rígidas y semirígidas, incluidos los estratificados; - Materiales compuestos termoplásticos y termoendurecibles reforzados con fibras, que llevan refuerzos unidireccionales y multidireccionales, tales como fieltros, tejidos, bobinados, hilos de base cortados, combinación de refuerzos e híbridos, bobinados y fibras molidas; hojas fabricadas a partir de materiales preimpregnados ("prepregs"); - Polímeros de cristales líquidos termotropicos. Los métodos que se describen en esta norma no son recomendables para ser usados con materiales celulares rígidos o con estructuras tipo sándwich que contengan materiales celulares.

8 Ensayo de Tracción: Principio del método La probeta se alarga a lo largo de su eje principal, a velocidad constante, hasta rotura o hasta que el esfuerzo (carga) o la deformación (alargamiento) hayan alcanzado un valor determinado previamente. F En el ensayo se miden la carga soportada por la probeta y el alargamiento de ésta. L 0 L f

9 Ensayo de Tracción: Tipos de probetas Las probetas se preparan por moldeo por compresión o inyección, a no ser que se especifique de otra manera en el material. La superficie de la probeta debe estar libre de defectos, rebabas o imperfecciones. Las probetas de productos acabados se deben tomar de zonas planas o que tengan una curvatura mínima. Las probetas de plásticos reforzados no deberían mecanizarse para reducir su espesor, a menos que sea absolutamente necesario. Los resultados obtenidos sobre probetas con superficies mecanizadas no son comparables con los de probetas con superficies no mecanizadas. Se deben de ensayar un mínimo de 5 probetas Las probetas tienen forma de haltera o doble campana. Si se usa extensómetro se deben de marcar las probetas Se deben de acondicionar previamente

10 ENSAYOS ESFUERZO-DEFORMACIÓN: Equipo Célula de carga Cámara de temperatura mordazas Son una guía de cómo se comportará el material Panel de control

11 IMPORTANCIA Son los más utilizados para caracterizar los polímeros INCONVENIENTES Se necesitan varios ensayos a: diferentes velocidades diferentes temperaturas control del grado de humedad y por tanto mucho material

12 INFORMACIÓN QUE APORTAN LOS ENSAYOS ESFUERZO-DEFORMACIÓN ESFUERZO DE TRACCIÓN: Fuerza de tracción por unidad de superficie, soportada por la probeta durante el ensayo RIGIDEZ: Representa la resistencia del material a la deformación RESISTENCIA A LA TRACCIÓN: esfuerzo máximo soportado por la probeta antes de romper TENACIDAD: representa el trabajo requerido para romper un material Se puede relacionar con el IMPACTO

13 ESFUERZO NOMINAL ENSAYOS ESFUERZO-DEFORMACIÓN velocidad de deformación constante rigidez evolución del esfuerzo y deformación E = /e Y = N/m 2 B Punto de fluencia x E A' Y C D A tenacidad DEFORMACIÓN Resistencia a la tracción

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15 DIFERENTES TIPOS DE COMPORTAMIENTO - Dependiendo de la temperatura o escala de tiempos Figura 1, R. Benavente et al. frágil A) PS, PMMA, PC Frágil, T<<T g B) PP Punto de fluencia C) PE, PVAc Aumento de la T T T g PS: poliestireno PMMA:poli(metacrilato de metilo) PC: policarbonato PE: polietileno PP:polipropileno PVAc: poli(acetato de vinilo) PMA: poli(acrilato de butilo) Estirado en frío con formación de cuello D) elastómeros, PBA % T>>T g Elastómero TODOS ESTOS COMPORTAMIENTOS SE PUEDEN DAR EN UN MISMO POLÍMERO Tg

16 Qué es la temperatura de transición vítrea? Relacionada con el estado amorfo Temperatura a la cual aparecen cambios sustanciales en la textura física del material que, de un material vítreo y denso, se pasa a un material flexible, blando y de naturaleza elástica Por debajo de Tg muy pocos movimientos están permitidos Por encima de Tg, las macromoléculas pasan rápidamente de una conformación a otra

17 Veamos paso a paso el proceso de deformación Polímero frágil y rompe Formación de craks Deformación a través de cuello, propagación de cuello y rotura Endurecimiento por deformación

18 ESFUERZO DE FLUENCIA: Esfuerzo mínimo al cual se produce una deformación permanente (metales) En polímeros se define como un máximo bien claro o una región de pronunciada curvatura aproximándose a pendiente cero en la curva esfuerzo-deformación ( - )

19 PROCESO DE ESTIRADO EN FRÍO: Polímeros amorfos a temperaturas inferiores a T g : reorganización molecular entre puntos de entrecruzamiento. Polímeros cristalinos: Formación de estructura fibrilar de cadena extendida MECANISMOS POSIBLES: Polímeros frágiles: fractura de cadenas formación de huecos y agrietamientos Polímeros dúctiles: orientación molecular y deslizamiento de cadenas.

20 FACTORES ESTRUCTURALES QUE DETERMINAN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS MATERIALES POLÍMEROS Influencia del peso molecular Influencia de la cristalinidad Efecto de los plastificantes Efecto de la copolimerización y de las mezclas Efecto de la orientación

21 Influencia del peso molecular: POLÍMEROS NATURALES: CAUCHO NATURAL, CELULOSA POLÍMEROS SINTÉTICOS: PE, PP, PS, etc Están formados por cadenas homologas con diferentes número de unidades que se repiten. Mn, Mw VISCOSIDAD Polidispersos: Mw/Mn PESO MOLECULAR La viscosidad de un polímero fundido aumenta con el peso molecular = km Índice de fluidez: g/10min (P, T)

22 Comportamiento de: Polímeros de muy bajo peso molecular: A) frágil por debajo de T g B) líquido viscoso por encima de T g Polímeros de alto peso molecular: A) estirado en frío por debajo de T g B) elastomérico por encima de T g C) resultan difíciles de procesar Peso molecular umbral

23 Influencia del peso molecular: ejemplos 1 PE, Mw = Estirado en frío 2 PE, Mw = PE, Mw = LDPE, Mw = E-VAceto, Mw = Polímeros ramificados copolímero

24 Efecto de la isotacticidad ipp metalocénico con diferente contenido en isotacticidad y peso molecular del mismo orden E aumenta Esfuerzo de fluencia aumenta Deformación a rotura disminuye Efecto del tratamiento térmico f c Q a < f c Q t (MPa) ipp ipp ipp (MPa) ipp ipp ipp % Tratamiento térmico: Q en platos de acero y Q en teflón %

25 Efecto del peso molecular y del grado de isotacticidad Tabla IV.8. Parámetros mecánicos de las diferentes muestras con tratamientos Qa y Qt y estiradas a 23 ºC a 10 mm/min: módulo de Young, E; esfuerzo en fluencia, F ; esfuerzo en rotura, R y deformación a rotura, R. Muestra E (MPa) F (MPa) R (MPa) R (%) Qa Qt Qa Qt Qa Qt Qa Qt ipp ipp ipp ipp ipp ipp ipp ipp ipp Tesis Doctoral de J. Arranz-andrés

26 Influencia de la cristalinidad: Efecto del tratamiento térmico PE, Mw = S Q S: enfriado lento desde el fundido Q: enfriado rápido desde el fundido Estirado en frío PE, Mw = PE, Mw = f C LDPE, Mw = E-VAceto, Mw = Aumento de la cristalinidad copolímero Polímeros ramificados

27 Influencia de la estructura: HDPE: polietileno lineal de alta densidad LLDPE: polietileno lineal de baja densidad LDPE: polietileno de baja densidad Todas las muestras tiene la misma historia térmica Diferentes tratamientos: Q y S influencia de la cristalinidad R. Benavente et al. Figura 5, R. Benavente et al (MPa) HDPE-Q LLDPE-Q LDPE-Q % (MPa) mhdpe-q mhdpe- S (%)

28 Influencia del peso molecular y de la cristalinidad en el esfuerzo de fluencia Los puntos corresponden a diferentes PE tomados de la literatura f c = (V L - V M )/(V L - V c ) = 1/V V= volumen específico L = líquido, M = muestra, c = cristal

29 Influencia del peso molecular y de la cristalinidad en el módulo de Young, E Diversos tipos de PE Comportamiento complejo: depende de la cristalinidad, tamaño de cristal y de la morfología

30 influencia de la cristalinidad en polímeros cristales líquidos: nemática esméctica Figura 7, R. Benavente et al CR (55ºC) CL+CR (23ºC) colestérica CL (Q) (MPa) 20 CR (55ºC) PTEB, 1 cm/min (%) PTEB: Polibibenzoato de trietilenglicol CL: cristal líquido CR: cristal tridimensional Q: subenfriado rápido desde el fundido. (ºC): temperatura de cristalización.

31 Efecto de los plastificantes: Los plastificantes son moléculas pequeñas que se adicionan para aumentar, habitualmente, la flexibilidad de las cadenas macromoleculares. Disminución del módulo elástico Esfuerzo de fluencia Tg En ocasiones se produce el efecto contrario: se pasa de un polímero flexible a uno frágil.

32 E B (GPa) E (MPa) Efecto de la copolimerización (MPa) PE CEOD1.7 CEOD2.4 CEOD4.7 CEOD5.7 Copolímeros de etileno-1-octadeceno (%) 20 Al aumentar el contenido en comonómero se observa un descenso considerable de los parámetros asociados con la rigidez y la resistencia del material. Sin embargo, la deformación final alcanzada puede aumenta. y (MPa) % B f OD (mol %)

33 (MPa) Efecto en mezclas: Mezclas de ipp con un elastómero PP2 PP2EO75 PP2EO50 PP2EO33 PP2EO CEO-plastómero (%)

34 Stress (MPa) E (MPa) Tenacidad (kj /m 2 ) Polímeros de injerto: Copolímeros de acrilato de n-butilo-g-estireno contenido de ramas injertadas: 6,9,10 y 11. T g del poli(acrilato de n-butilo): -40ºC Es necesario desplazarla a temperatura ambiente injertos de PS incorporados BAS-60-4 Aplicaciones: Adhesivos de presión 4 2 BAS-60-3 BAS-60-2 BAS Strain (%)

35 Influencia de la orientación: Materiales isótropos: mismas propiedades en todas las direcciones Materiales anisotrópicos: cambian sus propiedades con la orientación POLÍMEROS FRÁGILES Diferentes valores del módulo de Young POLÍMEROS DÚCTILES

36 FACTORES EXTERNOS QUE DETERMINAN EL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS MATERIALES POLÍMEROS Influencia de la temperatura Influencia de la velocidad de deformación Efecto de la presión hidrostática Efecto del modo de deformación

37 Influencia de la temperatura de estirado Polímeros amorfos Por debajo de Tg Por encima de Tg

38 Influencia de la temperatura de estirado Figura 10 R. Benavente et al. Polímeros semicristalinos (MPa) Temperatura de estirado = 23ºC PVAL LDPE % Temperatura de estirado = 80ºC (MPa) PVAL LDPE %

39 Influencia de la temperatura de estirado Polímeros semicristalinos: A temperaturas superiores a Tg HDPE, Ve= 10 cm/min T< 0.8Tg X T= 0.8Tg X Aumento de la temperatura % deformación Punto de Fluencia T=Tg X T>1.05 Tg X Comportamiento general %

40 influencia de la velocidad de deformación DEFORMACIÓN AUTOVIBRACIONAL

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