Envejecimiento artificial. Predicciones sobre el comportamiento de los materiales

Transcripción

1 Envejecimiento artificial Predicciones sobre el comportamiento de los materiales 1

2 Resmen Un avión se constrye a partir de materiales diversos qe son sometidos a diferentes cargas. El avión despega, por ejemplo, en aire caliente tropical y se mantiene a na altitd de 10 km, en n rango de temperatras my por debajo de los cero grados. Además de las enormes diferencias climáticas, se prodcen otras cargas como, por ejemplo, vibraciones qe afectan al material drante el velo. Estas cargas peden envejecer el material hasta el pnto de modificar ss propiedades. Por esta razón, drante el desarrollo se llevan a cabo ensayos de envejecimiento artificial con el fin de evitar fallos en los materiales drante el velo. Sin embargo, a mendo se realizan ensayos apresrados para ahorrar tiempo y costes, lo qe spone n amento del nivel de carga. La valoración y evalación finales aportan información sobre si n material es apto para s finalidad prevista. De este modo, se peden redcir significativamente los costes derivados de la sstitción contina de componentes. 2

3 Índice 2 Resmen 4 Qé es el envejecimiento? 7 Un apnte: Svante Arrhenis 9 Tipos de envejecimiento 12 Envejecimiento artificial Qé es el envejecimiento artificial? Envejecimiento acelerado Valoración y evalación 15 Nota legal 3

4 Qé es el envejecimiento? Se tilizan materiales de todo tipo para los más diversos propósitos. Drante s so, los materiales están sometidos a los más variados infljos y cargas qe peden afectar enormemente a s vida útil. Un ejemplo de ello es n avión qe despega en aire caliente tropical y se mantiene, a na altitd de 10 km, en n rango de temperatras my por debajo de cero drante n largo periodo de tiempo. Además de las enormes diferencias climáticas, se prodcen otras cargas como, por ejemplo, vibraciones qe afectan al material drante el velo. Estas diferentes cargas peden afectar al material hasta el pnto de modificar ss propiedades irreversiblemente. En estos casos se habla de envejecimiento del material. De conformidad con la norma DIN 50035, parte 1, se define envejecimiento como "todos los procesos qímicos y físicos qe afectan de manera irreversible a n material con el paso del tiempo" 1. Sin embargo, en principio no peden distingirse los procesos qímicos de los físicos en los efectos. Por lo general, estos procesos tienen lgar de forma simltánea, lo qe prodce n efecto complejo. En el sigiente esqema se mestra de modo simplificado n proceso de envejecimiento. Procesos de envejecimiento Envejecimiento qímico Envejecimiento físico Formación de grietas Concentración de tensiones Modificación de la estrctra cristalina Amento de la cristalinidad Relajaciones Rotra 1 DIN parte 1, sección 1 Envejecimiento,

5 Qé es el envejecimiento? Drante el envejecimiento, siempre se prodce na alteración negativa de las propiedades del material o bien desaparecen dichas propiedades. En la ciencia de materiales o en el control de calidad se habla primero de fatiga de los materiales y, finalmente, de fallos de los materiales. Sin embargo, no se trata de n proceso de envejecimiento cando se peden recrear las propiedades originales mediante el tratamiento térmico de n componente. Existen diversos factores qe provocan el envejecimiento. Peden dividirse en dos categorías. Por n lado están los llamados factores internos qe peden estar relacionados, por ejemplo, con la redcción de la tensión, las transformaciones por fases y estrctras o las alteraciones de las composiciones qímicas. En este libro blanco no se tratan los factores internos. En la segnda categoría de factores se encentran las casas externas del envejecimiento como, por ejemplo, los cambios de temperatra, la hmedad del aire, la concentración de oxígeno, la radiación visible, ltravioleta o ionizante y las inflencias qímicas. Material envejecido El envejecimiento de n material pede manifestarse de maneras my diferentes. Este no solo depende de las propiedades y de la composición del material, sino también del tipo de desgaste. Los factores externos se dividen en seis tipos principales de envejecimiento, qe también peden actar de forma combinada. En el ejemplo del avión no solo existen cargas térmicas, climáticas y mecánicas, sino también cargas corrosivas o eléctricas. Otro tipo de envejecimiento qe no debe pasarse por alto es la alteración del material provocada por la radiación UV, apreciable especialmente en polímeros, ya qe amarillean. En el capítlo 4 se explicarán más detalles sobre los diferentes tipos de cargas qe provocan el envejecimiento. 5

6 Qé es el envejecimiento? Un material pede envejecer de mchas maneras según las diferentes inflencias qe reciba. Esto se describe mediante la modificación de las propiedades en relación con el material. En este caso, la resistencia frente a na carga determinada desempeña n papel fndamental. Se pede representar la modificación de las propiedades con esta fórmla simplificada: Modificación de las propiedades = resistencia x esferzo No obstante, la sensibilidad pede cambiar en el crso del envejecimiento, de forma qe se acelere o desacelere la modificación de las propiedades. Es posible inflir en ello, por ejemplo, añadiendo estabilizadores especiales a los polímeros. De esta forma se altera la sensibilidad del polímero. En principio, todos los materiales orgánicos son inestables en el aire y mestran signos de envejecimiento transcrrido n periodo determinado. Esto no se pede evitar ni con estabilizadores, únicamente se pede retrasar. Además, en el envejecimiento no solo reslta relevante la composición del material, sino también ss antecedentes y s procesamiento. Este es n criterio importante precisamente en el envejecimiento artificial, qe se expone en el capítlo 5, ya qe en este caso también se llevan a cabo envejecimientos acelerados. Otro criterio importante es el almacenamiento y las modificaciones de las propiedades qe resltan de este, ya qe aqí peden iniciarse reacciones de envejecimiento debido, por ejemplo, a cargas térmicas. 6

7 Un apnte: Svante Arrhenis Svante Agst Arrhenis nació en Secia en Era hijo de n inspector de la Universidad de Upsala, donde lego estdiaría matemáticas, qímica y física. Al finalizar s formación, Arrhenis se trasladó a la Universidad de Estocolmo y se volcó en el estdio de la condctividad galvánica de los electrolitos. Al respecto pblicó en 1887 s "teoría qímica de los electrolitos" qe expone qe los electrolitos se disocian en aga o solciones acosas. A partir de esta teoría srgieron las definiciones de ácidos y bases vigentes actalmente. Según estas, los ácidos son sstancias qe forman los iones H + (aq) en na solción acosa. En cambio, las bases son sstancias qe forman los iones OH (aq) en na solción acosa. Sin embargo, estos iones peden volver a netralizarse en aga. H + (aq) + OH (aq) H 2 O Gracias a ss investigaciones sobre este tema, Arrhenis recibió en 1903 el Premio Nobel de Qímica. Arrehnis no solo se dedicó a estdiar la disociación de los electrolitos, sino también la dependencia térmica de la velocidad de reacción. Para ello planteó na ecación qe determina la constante de la velocidad de reacción en fnción de la energía de activación y de la temperatra. k = A e E a / (R T) k A E a R T Constante de la velocidad de reacción Constante característica para la reacción Energía de activación Constante de gas ideal Temperatra La ecación mestra la interdependencia entre la temperatra y la energía de activación. En ella, el factor e E a / (R T) es la parte qe indica cándo se ha sperado la barrera de la activación. Cando amenta la temperatra, crece exponencialmente la constante de la velocidad de reacción. Esto significa qe n peqeño amento de la temperatra pede sponer na modificación o amento considerables de la velocidad de reacción. 7

8 Un apnte: Svante Arrhenis En este pnto, también es notable la relación con el envejecimiento de los materiales. La ecación de Arrhenis explica por qé se prodce el envejecimiento térmico y por qé pede acelerarse artificialmente. No obstante, existen otros mecanismos de envejecimiento qe no peden calclarse con la ecación de Arrhenis. Con s ecación para calclar las constantes de reacción, Arrhenis concibió na aproximación qe se aplica en mchos ámbitos. Esta constitye la base para diferentes modelos de envejecimiento qe se emplean actalmente para realizar predicciones. 8

9 Tipos de envejecimiento Cargas térmicas Se habla de cargas térmicas cando el material se somete a diferentes temperatras. En estos casos, la temperatra pede mantenerse constante drante n largo periodo de tiempo o bien cambiar continamente. Así, la temperatra inflye de manera completamente distinta según las propiedades y la composición del material. Por esta razón, diferentes materiales qe han sido empleados en la constrcción de na misma estrctra envejecen a distintas velocidades. Sin embargo, las altas temperatras son la casa más frecente de envejecimiento del material. Ello se debe a qe, por lo general, el amento de la temperatra se tradce en la aceleración de las reacciones qímicas. Es imposible evitar las reacciones qímicas entre el material y los átomos de oxígeno e hidrógeno del aire, pes siempre están presentes. Cargas climáticas Por carga climática se entiende la interacción entre temperatra y hmedad. En ese caso, la hmedad del aire depende de la temperatra correspondiente. A mayores temperatras, se pede absorber más aga en la mezcla de gases del aire. Cargas climáticas La hmedad relativa indica lo elevada qe es la proporción de aga absorbida en relación con la proporción máxima a na temperatra determinada. Si la temperatra baja y no se pierde aga, la hmedad relativa del aire amenta. Es preciso considerar conjntamente esta interacción entre temperatra y hmedad en el envejecimiento de los materiales. Al igal qe la temperatra, la hmedad del aire es n factor de aceleración en las reacciones qímicas. Así, la hmedad del aire acelera el envejecimiento de n material, igal qe lo hace la temperatra. 9

10 Tipos de envejecimiento Cargas corrosivas y envejecimiento qímico La corrosión se prodce principalmente en la sperficie y solo pede tener lgar en caso de depósito de n reactivo. Sin embargo, la reacción qímica qe provoca la corrosión no pede prodcirse mientras no exista na energía de activación sficiente. En el caso de las cargas corrosivas, como en todas las corrosiones, la sperficie se va modificando cada vez más en el transcrso de la reacción. Si hbiera qe representar el proceso de corrosión como na fnción, el trazado se parecería mcho al de na fnción logarítmica. Cargas mecánicas Otro tipo de carga qe provoca envejecimiento es la carga mecánica. Esta describe el número de flexiones qe pede soportar n material. Según el radio de flexión o tensión a qe se somete el material, varía enormemente el número de flexiones alternadas. La flencia de n material es otro de los efectos de las cargas mecánicas. Es "la deformación plástica, en fnción del tiempo, de n material bajo carga" 2. Sin embargo, los efectos de la carga mecánica no solo dependen del tipo de material, sino qe varían enormemente según la composición. Cargas eléctricas Las cargas eléctricas solo se prodcen en componentes de accionamiento eléctrico. El envejecimiento de dichos componentes depende del campo eléctrico, la tensión y el tiempo de exposición. Envejecimiento UV Cando se habla de envejecimiento UV, se trata normalmente de los efectos de la radiación solar y raramente de la lz UV generada artificialmente. El sol casa, por ejemplo, la decoloración de la sperficie o inclso el envejecimiento de los polímeros, en el plano moleclar. En el envejecimiento por radiación solar tienen lgar diferentes procesos. Se clasifican en tres tipos de reacción: fotólisis, fotooxidación y fotocatálisis. 2 Rösler, Joachim/ Harders, Harald/ Bäker, Martin, Mechanisches Verhalten von Werkstoffen, B.G. Editorial Tebner, 2006, Wiesbaden 10

11 Tipos de envejecimiento Drante la fotólisis, se absorbe n fotón y esta energía provoca na reacción qímica qe tiene lgar sin la participación del oxígeno. H H H H + hʋ C C C HC = CH C +m HCI H Cl n H Cl m En cambio, en la fotooxidación, además de la energía fotónica, se reqiere oxígeno del aire para poner en marcha n proceso de envejecimiento. RH + hʋ R + H R + O 2 RO 2 RO 2 + RH ROOH + R Por s parte, la fotocatálisis solo pede tener lgar si la sperficie del material presenta propiedades semicondctoras. A través de la energía fotónica prodcida por la radiación solar se crean radicales, lo qe permite la oxidación en el material. Banda de condcción e Estímlo Recombinación Separación energética Banda de valencia h + 11

12 Envejecimiento artificial Qé es el envejecimiento artificial? Se habla de envejecimiento artificial cando se intenta provocar el proceso de envejecimiento de n material mediante cargas generadas artificialmente. Para ello se emplean, por ejemplo, cámaras de simlación medioambiental y sistemas de preba de vibraciones o de agentes atmosféricos. El envejecimiento artificial se tiliza generalmente en nevos desarrollos o en trabajos de investigación. Precisamente en las tareas de desarrollo es importante observar y docmentar los cambios en las propiedades. Para ello, natralmente es necesario generar n resltado reprodcible. De este modo es posible contemplar la probabilidad de fallo. Se considera fallo la decoloración o amarilleamiento de n componente, por ejemplo, en el interior de n vehíclo, debido a la radiación solar. Debido a la gran variedad de materiales qe deben someterse a envejecimiento artificial, han srgido en los últimos años diversas normas y directrices al respecto. Con ellas se reglan cómo deben ser los parámetros y los laboratorios para generar resltados reprodcibles. En el ámbito de los materiales aislantes eléctricos rigen especialmente las normas de ensayo para cargas térmicas IEC 60216, ASTM D5423 y ASTM D5374. Las prebas para determinar las propiedades térmicas a largo plazo, como se han descrito en las normas anteriormente mencionadas, se llevan a cabo en n horno de laboratorio especial como, por ejemplo, el BINDER FP 115-S. 12

13 Envejecimiento artificial Envejecimiento acelerado El envejecimiento acelerado está cobrando cada vez más importancia porqe permite obtener los resltados de la preba más rápidamente y, de este modo, ahorrar tiempo y dinero. El envejecimiento artificial se basa en qe las propiedades cambian más rápidamente con el tiempo debido a los diferentes métodos aplicados como, por ejemplo, la spresión de periodos de descanso, la desatención de las partes con menos cargas o el amento del nivel de carga. También se someten a envejecimiento acelerado, por ejemplo, las niones adhesivas de so diario. Un ejemplo my conocido son los chips de las tarjetas de crédito qe se pegan y deben resistir las más diversas cargas climáticas y mecánicas. Para ello, no solo se almacenan las niones adhesivas a altas temperatras, sino qe se someten a cambios climáticos. Para estas prebas se tilizan cámaras de simlación medioambiental como las qe ofrece la empresa BINDER. El problema qe plantea el envejecimiento artificial es qe en los experimentos peden fallar otros componentes, al igal qe más adelante drante s aplicación concreta. La razón radica en la cantidad de energía de activación para la reacción qímica. Con el envejecimiento acelerado térmicamente, se intenta ganar tiempo mediante el amento de la temperatra. De este modo, se proporciona sficiente energía de activación para las reacciones qe no tienen lgar así en el terreno. Por lo tanto, es imprescindible verificar la configración del ensayo como, por ejemplo, en el ámbito de los agentes atmosféricos. En este caso, la configración del ensayo en n sistema de agentes atmosféricos sele comprobarse mediante na exposición a la intemperie. Los objetos de ensayo son sometidos paralelamente a diferentes cargas al aire libre y, por último, se comparan con los objetos de ensayo del sistema de agentes atmosféricos. Como sperficie a la intemperie sirve, por ejemplo, el tejado del edificio de na oficina o laboratorio. A pesar de ello, la presión sige amentando para continar acelerando las prebas y los procesos y consegir resltados más rápidos. Así, los niveles de carga sigen amentando. De este modo se ahorra, sobre todo, tiempo en los experimentos de envejecimiento y también costes de desarrollo. 13

14 Envejecimiento artificial Valoración y evalación Despés de realizar las prebas de carga, es preciso evalarlas. Para qe esto sea posible, debe poder medirse el envejecimiento del material. Para tal fin existe, por n lado, la posibilidad de observar la probabilidad de fallo mediante los diferentes objetos de ensayo. Es crcial el tiempo qe transcrre hasta qe falla n número establecido de objetos de ensayo. Otra posibilidad de medición es observar los cambios de propiedades drante n periodo definido. Sin embargo, hay qe tener en centa qe las diferentes propiedades peden cambiar a distintas velocidades. La valoración y evalación finales aportan, en primer lgar, información sobre si na pieza, componente o material son aptos para s finalidad prevista. En determinadas circnstancias, debe bscarse na neva composición de material otra pieza y volver a realizar la preba. Esto spone más tiempo de desarrollo y costes adicionales. Sin embargo, estos costes sigen resltando aseqibles si se comparan con los posibles costes posteriores. 14

15 Aviso legal Ator Ina Kanngiesser es jefa de prodcto en el departamento de Simlación Medioambiental de BINDER GmbH y responsable de las cámaras de simlación medioambiental qe se emplean en el campo de la ciencia y de la indstria. Descripción de la empresa BINDER es el mayor especialista del mndo en cámaras de simlación para laboratorios científicos e indstriales. Con ss solciones tecnológicas, la empresa contribye sstancialmente a na mejora permanente de la sald y la segridad de la hmanidad. La gama de prodctos es apta tanto para aplicaciones rtinarias como para tareas específicas de investigación y desarrollo, prodcción y control de calidad. BINDER centa con nos 400 empleados en todo el mndo y na cota de exportación del 80 %. En 2014 alcanzó n volmen de ventas de 60 millones de eros. Contacto BINDER GmbH Im Mittleren Ösch Tttlingen Tel.: +49(0) info@binder-world.com 15

16 Aviso legal Fentes Mortimer, Charles E./ Müller, Ulrich, Chemie Das Basiswissen der Chemie, 8., komplett überarbeitete Aflage, Georg Thieme Verlag, 2003, Stttgart Rösler, Joachim/ Harders, Harald/ Bäker, Martin, Mechanisches Verhalten von Werkstoffen, B.G. Editorial Tebner, 2006, Wiesbaden Ehrenstein, Gottfried W./ Pongratz, Sonja, Beständigkeit von Knststoffen Tomo 1, 1ª edición, editorial Carl Hanser,