Temperatura de flexión por calor: por qué es mejor la curva DMA

Dado que hemos demostrado la falta de detalle con respecto al rendimiento de temperatura elevada proporcionado por la prueba de temperatura de flexión por calor (HDT) en las dos primeras partes de esta serie, uno puede preguntarse por qué seguimos realizándola y publicando los resultados.

Durante NPE2018 hice una breve presentación titulada “Nunca vuelvas a usar valores HDT”.  Pero tal vez un mejor objetivo sería no volver a realizar pruebas HDT. Estamos tan acostumbrados a una forma particular de hacer las cosas, que mientras alguien esté generando resultados de pruebas, se seguirán utilizando, pero ¿con qué fin?

Periódicamente, surge una discusión en línea sobre el tema de la utilidad de la HDT y a veces se hacen preguntas específicas sobre la comparación de la HDT con el análisis mecánico dinámico (DMA). Algunas de las respuestas son curiosas. Vi una que decía que prefería la HDT “porque hay un método publicado para ello”. En la mente de este participante, el hecho de que exista un método para realizar una prueba es la base para juzgar la utilidad de esa prueba. Aparte del hecho de que hay varios métodos publicados para DMA, puede ser útil examinar brevemente la historia de los métodos HDT.

El método ASTM, conocido como D 648, se publicó por primera vez en 1941. Generalmente, cuanto menor sea el número asociado con el método, más antigua es su fecha inicial de publicación. La mayoría de las pruebas comúnmente utilizadas para caracterizar el rendimiento mecánico de los plásticos entran en este grupo, incluyendo pruebas de tracción, pruebas de flexión y la prueba de impacto Izod con entalla. A diferencia de la prueba de la HDT, estas otras pruebas ya habían sido bien establecidas para materiales metálicos y simplemente se adaptaron para su uso en plásticos.

Es cierto que los métodos se revisan y actualizan periódicamente; sin embargo, el marco general para realizar la prueba de HDT no ha cambiado significativamente desde su creación hace casi 80 años. ISO 75 es el análogo internacional a D 648.

Contiene disposiciones para una mayor variedad de configuraciones de muestras y ha instituido un tercer nivel de esfuerzo que es significativamente mayor que los dos que se utilizan en la versión ASTM. Pero los dos métodos tienen esencialmente el mismo propósito: identificar la temperatura a la que el módulo de un material disminuye a un valor específico.

El análisis mecánico dinámico surgió por primera vez como una herramienta relativamente fácil de usar para la caracterización de materiales en la década del sesenta, aunque la idea de utilizar experimentos que oscilaban un material para conocer sus propiedades se remonta a 1909, casualmente el año que Leo Baekeland inventó los plásticos fenólicos.

El DMA es una técnica muy versátil y se puede realizar en líquidos y fundidos, así como en sólidos.

En la década del ochenta, estaban en uso instrumentos capaces de realizar fácilmente pruebas en materiales sólidos de muy alta rigidez y se hizo factible desarrollar los tipos de curvas que mostramos para el PBT en mi columna de febrero. Los métodos ASTM iniciales para DMA se estaban desarrollando durante este período de tiempo y hoy existen muchas variaciones.

Cuando comencé a ejecutar pruebas de DMA a finales de la década del ochenta, la gente de la industria que parecía más interesada estaba del sector de los termoestables. Los fabricantes de termoestables se han sentido frustrados durante mucho tiempo por la prueba de HDT porque muchos de sus materiales, que tienen ventajas prácticas evidentes sobre los termoplásticos de alto rendimiento a temperaturas elevadas, a menudo muestran un HDT más bajo. Las curvas DMA dieron una imagen más precisa.

Cuando comencé a mostrar curvas DMA en conferencias, gente de todas las disciplinas industriales quería saber de dónde procedían los datos. Es una pregunta que hoy sigo recibiendo, que subraya la falta de conciencia en la industria con respecto a lo que está disponible para ayudarnos a entender mejor nuestros materiales.

Por supuesto, los académicos e investigadores de polímeros sabían todo sobre el DMA. Pero no lo estaban usando para comunicar mejor el rendimiento de ingeniería. Lo usaban para profundizar en la estructura del polímero y las propiedades viscoelásticas.

Las publicaciones sobre DMA están llenas de ideas complejas y matemáticas desalentadoras que no suelen atraer el interés de diseñadores e ingenieros encargados de desarrollar productos, a pesar de que los fundamentos de la teoría viscoelástica gobiernan todo lo que les sucede a nuestros productos plásticos una vez que están en uso. En la mayoría de las disciplinas científicas, encuentras teóricos que piensan en problemas fundamentales, experimentalistas que verifican o anulan las teorías, e ingenieros que descubren los detalles para convertir estos descubrimientos en productos.

Infortunadamente, en el mundo de los polímeros, estos grupos tienden a ser muy aislados e ignorarse unos a otros. El DMA fue una víctima de este enfoque; siguió siendo una herramienta de investigación y desarrollo, y la comunidad de ingeniería que tan desesperadamente necesitaba mejores herramientas para evaluar el rendimiento de los polímeros seguía estando ajena.

La versatilidad del DMA era opacada por su complejidad y sin un portavoz que pudiera articular sus atributos en términos prácticos fue ignorado por las mismas personas que más podían beneficiarse de él.

Pero es hora de que avancemos. Desde el punto de vista de la ingeniería, el uso más práctico del DMA es proporcionar una imagen completa de cómo el módulo cambia con la temperatura. Si simplemente comenzamos allí, sería posible reemplazar mañana los datos de la HDT por curvas de módulo en función de la temperatura. A partir de ahí, es posible ilustrar la analogía entre los efectos de la temperatura y los efectos del tiempo bajo carga.

El DMA proporciona una imagen muy rica y detallada del rendimiento de los polímeros, y puede ser difícil desarrollar una comprensión completa de todas las cosas que podemos y debemos saber acerca de nuestros materiales. Pero el hecho de que pueda ser difícil no significa que no se deba intentar.

Si la industria del plástico quiere tener argumentos creíbles para presentar capacidades como el reemplazo de metales, no podemos seguir proporcionando a los diseñadores e ingenieros valores HDT y asumir que les hemos dado suficiente información para tomar decisiones inteligentes sobre el rendimiento del material.

Participé en un seminario web hace unos meses que trataba sobre la sustitución de aluminio por nylon con relleno de vidrio en una aplicación automotriz. A temperatura ambiente, el módulo de los dos materiales era comparable y el rango de temperaturas para la aplicación era de -40 C a 120 C (-40 F a 248 F).

Después del seminario web, me puse en contacto con el presentador para señalar que las propiedades del nylon con relleno de vidrio se reducen en aproximadamente un 50% entre la temperatura ambiente y 120 C, mientras que las propiedades de aluminio permanecerían esencialmente sin cambios. Quería saber cómo se comunicaría eso al ingeniero que realiza la conversión. Cuando me preguntó cómo sabía esto, le dije que tenía las curvas del DMA. Su respuesta: “Bueno, esas son difíciles de encontrar”. Y ese es exactamente el problema.

Resulta que no son tan difíciles de encontrar. Muchos proveedores de materiales, especialmente aquellos que producen polímeros de alto rendimiento, han estado publicándolos en sus manuales de diseño durante años. También se pueden encontrar en algunas de las mejores bases de datos de propiedades de materiales. Pero hay problemas.

Debido a que gran parte de estos datos fueron desarrollados por aquellos que estaban cómodos con la teoría DMA, no siempre se presentan en una forma que sea fácil de usar para los ingenieros y diseñadores de piezas. En nuestro próximo artículo discutiremos algunos de estos problemas de presentación y mostraremos cómo sacar el máximo provecho de la información disponible.

Lea a continuación: Parte 4: retos del análisis mecánico dinámico para medir propiedades de materiales.