Tema 17 Deformación y falla de los materiales polímeros. Las propiedades mecánicas de los materiales polímeros se especifican con muchos de los mismos parámetros usados en los metales. Se utiliza la prueba de tensión para encontrar los valores de las propiedades. En los polímeros sin embargo, la mayoría de sus propiedades mecánicas son sensibles a lo siguiente: La rapidez de deformación(strain rate) La temperatura. La naturaleza química del ambiente que los rodea (presencia de agua, oxígeno, solventes orgánicos, etc.) Existen tres tipos tendencias típicas de curvas de esfuerzo-deformación unitaria en los materiales polímeros. σ A B C ε A: polímeros frágiles B: materiales plásticos (similar a los metales) C: Elastómeros Las propiedades mecánicas de los polímeros son mucho más sensibles a los cambios de temperatura en los alrededores de la temperatura ambiente. 139
Por ejemplo, consideraremos la curva σ-ε para el plexiglás (PMMA) 4ºC 60ºC Existen tres temperaturas importantes en los materiales polímeros: Temperatura de degradación (Td) A esta temperatura se rompen los enlaces covalentes de la cadena. El efecto es disminuir el peso molecular del material, haciéndolo frágil. Temperatura de transición vítrea (Tg) Es la temperatura a la cual las zonas amorfas de polímero se comportan como un líquido muy viscoso. Temperatura de fusión (Tm) Es la temperatura a la cual los cristales que pueden existir en el material desaparecen y la fuerza da atracción entre las cadenas disminuye, haciendo que las cadenas puedan fluir. 140
Polímeros Amorfos Polímeros Semicristalinos Los cristales desaparecen. El material puede fluir. Temperatura de conformado Tm Las cadenas pueden moverse al aplicarles fuerzas. EL material Fluye. El material consiste en la mezcla de cristales con zonas amorfas viscosas. El material mantiene su forma geométrica y posee cierta ductilidad. Temperatura de conformado Temperatura de uso Tg No hay movimiento entre las cadenas. EL material es capaz de mantener su forma geométrica El material es sumamente frágil. No puede utilizarse Temperatura de uso En los polímeros se da la deformación elástica y plástica casi al mismo tiempo. En la deformación elástica, las moléculas se reacomodan. F = 0 F F F = 0 141
En la deformación plástica, las moléculas se desenmarañan y deslizan entre sí. Ambos procesos se dan simultáneamente. La deformación de los materiales polímeros depende del esfuerzo aplicado y de la rapidez con que se aplica el esfuerzo. Debido a esto se dice que los polímeros tienen comportamiento viscoelástico. Viscoelasticidad Cuando en un material viscoelástico se aplica un esfuerzo lentamente, las cadenas deslizan fácilmente una al lado de la otra, haciendo que el material se comporte como si fuera un líquido viscoso. Sin embargo al aplicar un esfuerzo rápidamente, las cadenas no tienen suficiente tiempo para deslizar con respecto a las otras, y el material se comporta como si fuera un sólido elástico. El comportamiento viscoelástico puede modelarse así: Resorte amortiguador Si una fuerza se aplica lentamente, el resorte se deforma muy poco y el amortiguador se extiende simulando la deformación permanente. Por otro lado, si la fuerza se aplica rápidamente, el resorte se estira y el amortiguador se extiende muy poco. En este caso, la deformación es en su mayoría elástica. La naturaleza viscoelástica de los polímeros causa dos fenómenos: 142
Termofluencia Cuando se aplica un esfuerzo constante, el material se deforma plásticamente a lo largo de un período largo del tiempo. lo F = 0 F Deformación elástica debido a la aplicación de F F Deformación plástica debido a la Termofluencia. La Termofluencia se describe con curvas de Termofluencia. % deformación Esfuerzo constante tiempo (h) Estas curvas pueden representarse por la ecuación ε(t) = at n Donde: ε(t)= deformación unitaria en función del tiempo. a y n son constantes para σ y T. Cuando la deformación ( a lo largo del tiempo) es grande, la reducción del área transversal hace que el material se rompa. 143
Este fenómeno se describe con curvas de esfuerzo-ruptura. Esfuerzo aplicado tiempo de ruptura Relajación del esfuerzo lo Deformación δ F Para lograr que δ se mantenga constante, la fuerza aplicada F debe disminuir con el tiempo. El esfuerzo aplicado para mantener δ constante en el tiempo disminuye. A ese fenómeno se le llama relajación del esfuerzo. La variación del esfuerzo aplicado puede modelarse con la siguiente ecuación: σ t = σ 0 exp( λ ( t) ) σ(t)= esfuerzo en función del tiempo. σ o = esfuerzo aplicado en t =0 t = tiempo λ = tiempo de relajación (es una propiedad del material) 144
PROBLEMAS (1) Suponga que usted es el gerente de una fábrica de envases de plástico. Un día se acerca una empresa que se dedica a producir leche y le solicita que le diseñe un envase plástico para vender leche pasteurizada. Por consideraciones económicas suponga que el proceso de pasteurización de la leche se realiza cuando ésta se encuentra ya envasada. El cliente le comenta que su proceso de pasteurización consiste en someter a la leche (y por tanto al envase) a una temperatura de 90º C y luego enfriar hasta temperatura ambiente. Para otros clientes usted ha utilizado una resina plástica completamente amorfa y con las siguientes propiedades: Temperatura de fusión entre 260 y 265 ºC, y temperatura de transición vítrea entre 78 y 80 ºC. Con esta información, es recomendable fabricar los envases para la leche con este material? Justifique su respuesta. (2) Los envases plásticos para bebidas gaseosas generalmente se fabrican utilizando el polímero termoplástico PET (o PETE). Suponga que usted es el (la) gerente de una fábrica de gaseosas, y desea reemplazar sus envases actuales por envases de plástico PET que puedan ser retornables. Esto significa que los envases deben ser sometidos a un proceso de esterilización antes de ser utilizados de nuevo por su fábrica. Para realizar este proceso, es necesario calentar los envases hasta una temperatura de 110º C. Un fabricante de artículos de plástico le propone utilizar, para fabricar los envases, un grado de PET completamente amorfo y con las siguientes propiedades: Temperatura de fusión entre 260 y 265 ºC, y temperatura de transición vítrea entre 78 y 80 ºC. Con esta información, aprobaría usted la fabricación de sus envases con este material? Justifique su respuesta. (3) Cuando se desean colocar tornillos en una pared, se utilizan anclas de plástico. Las anclas consisten en cilindros de plástico que se colocan entre el tornillo y la pared, tal como se ilustra en la figura. Agujero en la pared Ancla Tornillo 145
Primero se introduce el ancla vacía en el agujero, y luego se introduce el tornillo en el ancla. A medida el tornillo va entrando, presiona al plástico contra la superficie interna del agujero en la pared, evitando que el ancla (y por tanto el tornillo) deslice dentro del agujero, tal como se muestra. Presión del tornillo contra el plástico Presión del plástico contra la pared El plástico para fabricar el ancla se somete a una prueba de relajación del esfuerzo. De esta prueba, se encontraron los siguientes resultados: en t = 0, el esfuerzo sobre el material es 50 MPa. En t = 100 horas, el esfuerzo es 40 MPa. Se sabe que cuando se introduce el tornillo, el esfuerzo que soporta el ancla, y que se transmite a la superficie del agujero es de 45 MPa. Si el ancla falla (se sale del agujero junto con el tornillo) cuando el esfuerzo que ella es capaz de ejercer contra la pared es de 15 MPa, Cuál se espera que sea la vida útil del ancla? (4) Se le aplica un esfuerzo de 500 MPa a un polímero que sirve como sujetador en un ensamble complejo. A deformación constante, el esfuerzo cae a 450 MPa después de 50 horas. Si el esfuerzo sobre la pieza debe mantenerse por encima de 300 MPa para que dicho componente funcione correctamente, determine la vida útil del ensamble. (5) Un polímero con forma de varilla de 10 cm de largo se utiliza bajo un esfuerzo constante de tensión. La rapidez de termofluencia medida en función de la temperatura aparece en la tabla siguiente. Determine el tiempo requerido para que la varilla se estire hasta 13 cm a 85º C. T (ºC) dε/dt (cm/cm h) 25 0.0011 50 0.0147 75 0.1375 146
(6) A continuación se muestran las temperaturas de fusión y de transición vítrea para varios materiales polímeros: Material Tg (ºC) Tm (ºC) Polietileno de baja -110 115 densidad, semicristalino Polietileno de alta -90 137 densidad, semicristalino Cloruro de polivinilo 105 212 (PVC), semicristalino Polipropileno, amorfo -20 175 Poliéster (PET), semicristalino 73 265 Se busca un material para fabricar calentadores de agua para duchas. El material debe soportar en operación temperaturas máximas de 50º C, sin deformarse. Cuál o cuáles de los cinco materiales que se muestran en la tabla serían adecuados para esta aplicación? Cuál o cuáles son las temperaturas mínimas de conformado del material o materiales que usted ha seleccionado? (7) Se desean fabricar envases de plástico para guardar refrescos. Para el diseño de los envases considere lo siguiente: Antes de llenar el envase con el refresco, se someterá a un proceso de esterilización, el cual consiste en calentar el envase a una temperatura de 80ºC y luego enfriar rápidamente hasta temperatura ambiente. Una vez esterilizado el envase, se llenará con el refresco. Una vez lleno el envase, se llevará en un camión al supermercado en donde se colocará en refrigeración a 8º C. Durante el transporte en camión el envase estará sometido a la temperatura ambiente (30º C) El material para fabricar los envases debe seleccionarse de la siguiente lista: Material Tg (ºC) Tm (ºC) Estructura Plástico 1 10 95 Semicristalino Plástico 2 4 65 Semicristalino Plástico 3 20 90 Amorfo Plástico 4-4 105 Semicristalino Plástico 5 4 90 Amorfo El envase no debe deformarse ni fallar durante las etapas de esterilización, transporte y refrigeración en el supermercado. Analice cada uno de los plásticos que se listan en la tabla anterior, y determine si pueden utilizarse o no para fabricar los envases. Coloque sus conclusiones en la tabla a continuación: 147
Material Plástico 1 Puede usarse? Si/No Justificación Plástico 2 Plástico 3 Plástico 4 Plástico 5 (8) A continuación se muestra el gráfico de fluencia lenta de un material polímero. 148
Si la longitud inicial del material es de 1 metro, y se le aplica un esfuerzo en tensión de 11.7 MPa. Cuál será la longitud del material 30 días después de aplicado dicho esfuerzo? (9) Se necesita construir un empaque para la tapadera de un tanque en una fábrica. Con base en la tabla a continuación, seleccione los polímeros que son adecuados para fabricar este empaque si el tanque guarda un líquido a presión y a una temperatura de 50ºC. Justifique su respuesta. Tome en cuenta que el criterio principal es que el sello no se deforme en uso debido a la presión que ejerce el líquido caliente sobre él. Material Tm (ºC) Tg (ºC) Polietileno de baja 115-120 densidad (LDPE) amorfo Polietileno de alta 137-120 densidad (HDPE) semicristalino Cloruro de polivinilo (PVC) 175 87 semicristalino Polipropileno (PP) amorfo 168-16 Poliestireno (PS) amorfo 240 85 (12) En la figura se muestra el efecto del esfuerzo y del tiempo sobre la deformación en el polipropileno a 20ºC. (a) Con estos datos determine las constantes a y n de la ecuación 15-7 (ε (t) = a t n ) para los esfuerzos de 9.7 MPa y 11.7 MPa. (b) Determine el % de deformación en el polipropileno si se aplica un esfuerzo de 10 MPa a 20º C durante un año. 149
(13) Se utilizará un material plástico para fabricar la campana de una lámpara de mesa como la que se muestra en la fotografía. Se estima que cuando la lámpara esté encendida, el calor generado por el foco hará que la temperatura de la campana llegue a los 55 C. Para fabricar la lámpara, se cuenta con los siguientes materiales: a) Polietileno de alta densidad (HDPE), semicristalino. Tg = 41 C, Tm = 121 C b) Polietileno de baja densidad (LDPE), amorfo. Tg = 35 C, Tm = 80 C c) Cloruro de Polivinilo (PVC), semicristalino. Tg = 2 C, Tm = 85 C Se proyecta fabricar la campana de la lámpara usando plástico Cuál o cuáles de los tres materiales seleccionaría usted para fabricar la lámpara? Justifique su respuesta con el mayor detalle posible. 150