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• Erick Moreira Valdez

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Ensayos de tracción para polímeros. 1. Resumen Durante la visita al LEMAT (laboratorio de metrología y materiales) en el que se volvió a recorrer sus instalaciones y en donde pudimos observar sus instrumentos trabajar, se realizaron; en dos grupos de estudiantes, seis ensayos, en los que se sometió a un esfuerzo de tensión a una probeta ASTM de proplieno de alta densidad y de propileno con clorato de calcio, con distintas velocidades de ensayo (5, 50 y 500 mm/seg). Luego se gráfica el esfuerzo vs. Deformación, y se realiza una comparación entre las gráficas que tienen la misma velocidad de ensayo, dándonos como resultado que el esfuerzo y la deformación disminuye por el aditivo.

2. Introducción. Un material se lo considera como polímero solido si contiene múltiples partes o unidades enlazadas químicamente y que se juntan para formar un sólido. Estas partes o unidades que se juntan para la formación de polímeros se conocen como monómeros. Un polietileno (es un material termoplástico (que no se deforma plásticamente con la temperatura en la que esté trabajando). La estructura tiene básicamente una estructura de cadena lineal, como el mostrado en la figura.

Ilustración 2-1 Estructura de cadena de polietileno de alta densidad

El polietileno de alta densidad y tiene una estructura compuesta de redes lineales y ramas laterales cortas inclinadas. Propiedad Esfuerzo máximo (Mpa)

Etileno baja densidad 9.0-14.5

Etileno alta densidad 26.2-33.1

Esfuerzo de rotura(MPa) Elongación (%)

8.3-31.4 100-650

22.1-31.0 10-1200

Tabla 1.- Algunas propiedades mecánicas de los polímeros

En un PAA el radical principal es el Hidrogeno. Es de carácter termoplástico y es semicristalino Los

materiales termoplásticos pueden deformarse principalmente de forma elástica y plástica.

Las probetas de ensayo para materiales metálicos se obtienen, generalmente por mecanizado de una muestra del producto objeto de ensayo, o de una muestra moldeada. En el caso de tratarse de productos que tengan una sección constante (perfiles, barras, etc.) o de barras obtenidas por moldeo, se pueden utilizar como probetas las muestras sin mecanizar. La sección de la probeta puede ser circular, cuadrada o rectangular. Generalmente las probetas de ensayo para materiales no metálicos se pueden preparar por prensado, por inyección o bien por arranque de viruta mediante corte de planchas. Muchos polímeros en bruto tienen una estructura a base de monómeros. Cada monómero consta de numerosas laminillas formadas por cadenas plegadas que irrumpen a partir del centro. Las laminillas están separadas por material amorfo y están interconectadas por cadenas de unión que cruzan las regiones amorfas. El mecanismo de la deformación plástica se describe mejor en función de las interacciones de las laminillas con las regiones amorfas como respuesta al esfuerzo aplicado. En la etapa inicial de la deformación las laminillas deslizan una respecto de la otra y la región amorfa se extiende. Al continuar la deformación, las laminillas se alinean en dirección del esfuerzo. En la siguiente etapa, las laminillas se separan en segmentos de bloques cristalinos que permanecen unidos por las cadenas de unión. En la etapa final, los bloques y las cadenas de unión se orientan según la dirección del esfuerzo aplicado. Así, un esfuerzo de deformación apreciable genera en los polímeros semicristalinos una estructura altamente orientada. Naturalmente, la forma de los monómeros también experimenta cambios. Este proceso se puede apreciar en la Ilustración 2.

Ilustración 22-2.- Mecanismo microscópico de la deformación de un polímero Algunos de los aspectos de la deformación macroscópica de polímeros semicristalinos merecen una especial atención. La curva de esfuerzo vs deformación de los polímeros se muestra junto con una representación de la variación de del perfil de la probeta a través de diferentes momentos del ensayo. Se hace evidente que una vez que comienza a formar el cuello en la probeta, dentro de ella , las cadenas comienzan a orientarse , como por ejemplo , las cadenas axiales comienzan a alinearse en paralelo con la dirección del ensayo, que es donde se concentra el esfuerzo.

Como consecuencia de eso existe resistencia a que la deformación continúe en ese punto, y se comienza la propagación de del cuello en las regiones adyacentes.

Ilustración 2-3 .- Curvas típicas para ensayos de tracción-deformación: a) fractura frágil; b) fractura dúctil; c) formación de un cuello y d) deformación homogénea (comportamiento tipo goma) y evolución de las probetas rectangulares durante el ensayo de tracción Así mismo existen aditivos para los polímeros, estos aditivos modifican las propiedades químicas, mecánicas y físicas en una forma mucho más alta que la que es posible obtener con la alteración de su estructura molecular. Durante nuestro ensayo se tuvo una probeta de polietileno con Carbonato de Calcio, comparando las gráficas de esfuerzo deformación para la probeta sin aditivo y la probeta con aditivo, se concluirá con respecto a cuales son los efectos de este aditivo sobre el etileno. De igual manera una de las particularidades de los polímeros es que la curva esfuerzo deformación es distinta si se cambia la temperatura o la velocidad a la que se realiza el ensayo por lo que es justamente este cambio el que nos interesa evaluar.

3. Procedimiento Experimental: El procedimiento consistió en obtener muestras de polietileno y de polietileno con carbonato de calcio utilizando una prensa, luego de esto se colocaron en la máquina de ensayos universales, para ser sometidas a una fuerza variable hasta que el material se rompiera, se les midió las dimensiones iniciales, tanto de largo como de ancho y de espesor. Luego se tomaron los datos que nos entregó el software del laboratorio con lo que se consiguieron los gráficos que se observan en Resultados.

4. Resultados. Las dimensiones de las probetas se encuentran en Anexos, a continuación se muestran los gráficos esfuerzo-deformación de las distintas pruebas y su comparación. Gráfica de dispersión de Esfuerzo (Gpa) vs. Deformación (mm/mm)

Gráfica de dispersión de Esfuerzo (Mpa) vs. Deformación(mm/mm)

PRUEBA-3-Polietileno de alta densidad-v=500mm/min

PRUEBA-6-Polietileno+Carbonato de calcio-v=500mm/min

40

0,1682

0,2886 38,69

30,27

30

27,17

32,07

30 Esfuerzo (Mpa)

Esfuerzo (Mpa)

25 20 15 10

20

10

5 0

0 0,00

0,02

0,04

0,06 0,08 0,10 0,12 Deformación(mm/mm)

0,14

0,16

0,18

0,00

0,05

0,10 0,15 0,20 Deformación (mm/mm)

0,25

0,30

El gráfico de la izquierda corresponde al ensayo con el aditivo y el de la derecha el de polietileno sin él. La velocidad del ensayo es la misma para ambas probetas, por lo que en este caso se comparará la adición del aditivo en el polímero, cuando se ensayó con el polietileno únicamente se obtuvieron como esfuerzo de rotura y esfuerzo máximo 32.07 y 38.69 MPa , respectivamente , así como una deformación de 28.8 % que si se comparan con los de la Tabla 1, no distan mucho de los valores comunes , en el ensayo con el aditivo se observa una disminución del esfuerzo máximo y un menor esfuerzo de rotura , así como menor deformación antes de romperse , por lo que el material se vuelve frágil y su resistencia disminuye. Gráfica de dispersión de Esfuerzo (MPa) vs. Deformación(mm/mm)

Gráfica de dispersión de Esfuerzo (MPa) vs. Deformación(mm/mm)

PRUEBA-2-Polietileno de alta densidad-v=50mm/min

PRUEBA-5-Polietileno+Carbonato de calcio-v=50mm/min

0,2847

30

2,44

40

26,72

25

34,96

18,06

15 10

Esfuerzo (MPa)

Esfuerzo (MPa)

30

20

20

19,42

10

5 0

0 0,00

0,05

0,10 0,15 0,20 Deformación(mm/mm)

0,25

0,30

0,0

0,5

1,0 1,5 Deformación(mm/mm)

2,0

Ahora se realiza la misma comparación , tan solo que ahora el ensayo se realiza con una velocidad diez veces menor a la anterior , se observa que la velocidad tiene una influencia sobre los esfuerzos máximo y de rotura por que en ambos casos estos disminuyen, esto es posible que ocurra debido a que como es más lento el movimiento de los constituyentes microscópicos del

2,5

material tienen más tiempo para encontrar un estado de equilibrio además se observa que la deformación es mayor a esta velocidad , porque no justamente las partículas tienen un tiempo mayor para responder a estos cambios y por lo tanto se pueden estirar más . Sin embargo sí se encuentra una diferencia notoria entre la deformación de la prueba 5 y de la prueba 2 , siendo que el polietileno sin el aditivo va a deformarse un 244% antes de romperse mientras que el que contiene carbonato de calcio lo hará apenas 28% . Entonces se ve que el aditivo al introducirse en el material le da una mayor resistencia a la deformación unitaria, esto porque las partículas de carbonato de calcio son más rígidas.

Ahora la velocidad del ensayo es de 5 mm/min, cien veces menor que en los primeros ensayos , por lo que se prevé que al tener un ensayo más lento, la deformación en el caso del polietileno con y sin aditivo será mayor a todos los casos anteriores y es justamente lo que ocurre vemos que los porcentajes de deformación es sumamente grande se observa que en la prueba con aditivo la deformación antes de la rotura es de 788% y en el que sin el aditivo es de 892% , en esta ocasión es justamente la deformación es de 10 veces mayor que al se obtuvo con una velocidad 100 veces mayor , nuevamente la hipótesis que se maneja es que al existir un intervalo de tiempo mayor para que las cadenas de polímeros se ajusten y se acomoden en una determinado posición y de esta forma el esfuerzo no ocasiona la rotura , incluso se observa que la zona elástica con esta velocidad tiene una deformación máxima en porcentaje de 50% es decir casi toda la deformación es plástica incluso con el aditivo . Lo que nos podría indicar que a pesar de la alta deformación a esta velocidad esta deformación es irreversible. Ahora la comparación que debemos hacer es la de los esfuerzos y como en los casos anteriores se observa que en general el material es menos resistente y más frágil con la adición del carbonato de calcio.

5. Conclusiones En base a la comparación de los resultados con las variables que correspondían se llega a las siguientes conclusiones:  

    

  

Las curvas esfuerzo vs deformación unitaria de los materiales poliméricos se pueden interpretar de la misma forma que con un material metálico. Los polímeros al estar constituidos por cadenas de átomos, llamados monómeros, aumenta su ductilidad, ya que pueden estirarse más que un metal en las mismas condiciones. Existen normas que proveen las directrices para los ensayos de tracción de materiales poliméricos. Las propiedades mecánicos del etileno son distintas dependiendo de la velocidad a la que se realiza el ensayo. Al aumentar la velocidad del ensayo, la deformación unitaria antes de la rotura disminuye, por lo que el etileno se vuelve más frágil. A l aumentar la velocidad del ensayo, la resistencia mecánica disminuye en el etileno. El aditivo carbonato de calcio en el etileno, provoca que el material se vuelva frágil, es decir que disminuya su deformación, por lo que sería útil en aplicaciones en las que el etileno no esté sometido a grandes esfuerzos y se requiera poca deformación. En el etileno con carbonato de calcio, en cambio al aumentar la velocidad del ensayo se aumenta la resistencia mecánica. La velocidad a la que se realizó el ensayo influyo en el tiempo de duración de la prueba, a mayor velocidad más rápido ocurrió la falla. Dado que todos los ensayos fueron realizados a la misma temperatura promedio, se desprecian los efectos de la temperatura en el ensayo.

6. Recomendaciones Antes de insertar la probeta en la máquina de ensayos universales, es necesario que se tomen las mediciones correctas de las dimensiones de la probeta para que no ocurran errores en los cálculos que se realizaron para poder obtener las gráficas del informe, de igual manera , se debe mantener el lugar en el que se realice el ensayo a una temperatura constante para evitar que esto influya en los resultados finales.

7. Anexos. En la siguiente tabla se resume las dimensiones de las distintas probetas, todas ellas medidas con una precisión de 0.01 mm.

Nombre: Unidad de longitud PRUEBA-1-Polietileno de alta densidad-v=5mm/min PRUEBA-2-Polietileno de alta densidad-v=50mm/min PRUEBA-3-Polietileno de alta densidad-v=500mm/min PRUEBA-4-Polietileno+Carbonato de calcio-v=5mm/min PRUEBA-5-Polietileno+Carbonato de calcio-v=50mm/min PRUEBA-6-Polietileno+Carbonato de calcio-v=500mm/min

Longitud Espesor Anchura calibrada mm mm mm 30.000 129.900 500.000 30.000 129.900 500.000 30.100 131.300 500.000 32.500 103.500 500.000 32.500 103.500 500.000 32.500 103.500 500.000

Cálculos representativos. A forma de ejemplo se presenta el cálculo del esfuerzo y la deformación para la siguiente medición de la prueba 1 que corresponde a: