Rendimiento de los polímeros: problemas con datos a una sola temperatura

Los historiadores que hacen la crónica de los acontecimientos asociados a la creación y el desarrollo de la industria del plástico señalan la invención de la nitrocelulosa, por John Wesley Hyatt, como el punto fundamental para el crecimiento de la industria. Hyatt también desarrolló la primera máquina diseñada para moldear estos materiales. Esto nos dice que la edad de la industria ronda los 150 años.

El rápido desarrollo de materiales sintéticos se inició en la década del treinta del siglo XX con el desarrollo del polietileno, el poliéster y el nylon, y se expandió después de la segunda guerra mundial.

Desde finales de la década de los cuarenta hasta la década del ochenta, casi todas las familias de polímeros que pueblan nuestra industria fueron inventadas y desarrolladas en líneas de productos comerciales. Al mismo tiempo, se estaban desarrollando las bases fundamentales de la física y la química de polímeros, que aportaron un mejor entendimiento de los mecanismos que impulsan el rendimiento de estos materiales y que permitieron su uso efectivo.

Al haber alcanzado algo estabilidad en el desarrollo con la creación de materiales cuyas propiedades pueden competir con los metales y la cerámica, un paso lógico a seguir sería producir información sobre el rendimiento de los polímeros, que vaya más allá de la información resumida que fue originalmente codificada en las hojas de datos.

Si bien ha habido diversos esfuerzos para proporcionar una visión ampliada, la industria todavía se basa principalmente en documentos de una a cuatro páginas con puntos de datos únicos. Se supone que estos proporcionan al procesador y al usuario final la información necesaria para tomar decisiones acertadas con respecto a la selección de materiales y el establecimiento de las condiciones de procesamiento.

Cuando nos fijamos en la sección de propiedades de estas hojas de datos, encontramos que, en su mayor parte, las propiedades que se dan se presentan a una sola temperatura, 73°F (23°C). Cuando doy seminarios sobre propiedades de los materiales, por lo general pregunto a los grupos si alguien cree que estas propiedades se mantienen constantes con los cambios de temperatura. Nadie jamás levanta su mano.

A pesar de la escasez de información de los efectos de la temperatura sobre el rendimiento de los materiales plásticos, todos parecemos tener un instinto sobre la variabilidad de las propiedades con la temperatura. Esto plantea la siguiente pregunta lógica: si sabemos que las propiedades cambian con la temperatura, y esperamos poder utilizar estos materiales en una amplia gama de temperaturas, ¿por qué toleramos una industria que sólo está dispuesta a decirnos las propiedades a una sola temperatura?

Vamos a empezar con una propiedad que aparece en casi cualquier hoja de datos: el módulo. El módulo se define como el cociente del esfuerzo dividido por el alargamiento y, por lo tanto, es una medida a la que a menudo llamamos rigidez. Si se aplica un esfuerzo y el resultado es una gran cantidad de deformación, se considera que el material tiene un módulo bajo y lo llamamos flexible.

El polietileno de baja densidad sería un ejemplo de esta clase de materiales. Si el mismo esfuerzo produce muy poca deformación, tal como ocurre en un nylon reforzado con 40% de fibra de vidrio o PPS, pensamos que estos materiales son muy rígidos y nos referimos a este hecho cuantitativamente como módulo alto.

El módulo puede medirse de varias maneras, en tensión, flexión, compresión, cizallamiento, etc. — pero en todos los casos estamos capturando una relación que caracteriza a una respuesta cuantitativa a un esfuerzo aplicado.

Debido a que los polímeros exhiben un comportamiento no lineal en altos niveles de esfuerzo, es importante entender que el módulo se refiere solamente a la relación tensión y alargamiento, en alargamientos relativamente pequeños. La figura 1 muestra la parte inicial de una curva de tracción de esfuerzo-alargamiento, que identifica el límite proporcional.

Este es el último punto en la curva del esfuerzo-alargamiento donde el esfuerzo y el alargamiento están en proporción. Luego, la recta inicial se convierte en una curva que muestra una pendiente siempre decreciente, que finalmente da como resultado el límite de fluencia.

Mientras que los alargamientos de producción están con frecuencia en el rango de 5-10%, los límites proporcionales, rara vez sobrepasan el 0.5%. En este caso el límite proporcional da una tensión de 10 MPa (1450 psi) a un alargamiento de 0.35%, produciendo un módulo en tensión de 2855 MPa (414.000 psi).

¿Pero qué pasa cuando cambia la temperatura? Para este material específico, un copolímero de acetal, la respuesta se muestra en la figura 2. Son gráficas de módulo de elasticidad en función de la temperatura para dos grados similares.

Mientras que el módulo de elasticidad y el módulo de resistencia a la tracción no son exactamente equivalentes, normalmente se encuentran dentro del 1% de cada uno y, por lo tanto pueden ser utilizados indistintamente en los tipos de cálculos que se realizarían al determinar su aptitud para su uso en una aplicación.

Las curvas en la figura 2 muestran el comportamiento a través de un amplio rango de temperaturas que comienza con condiciones sub- ambiente y se extiende hasta casi el punto de fusión del polímero. Se observa que hay zonas de estas curvas donde las propiedades están cambiando rápidamente y áreas donde el cambio es gradual y parece ser casi lineal con la temperatura. Pero el punto es que la propiedad cambia, y lo hace de una manera que no es sencilla.

En todos los materiales plásticos la gráfica del módulo frente a la temperatura consta de zonas de estabilidad relativa interrumpidas por cambios repentinos y significativos en el rendimiento.

No hay una "regla general" fácil que pueda relacionar esta propiedad con la temperatura. La figura 3 muestra una comparación de policarbonato, un material amorfo, y nylon 6, un material semicristalino. En ambos casos hay una región de cambio rápido en el rendimiento, relacionada con una importante propiedad llamada la transición vítrea.

En los polímeros amorfos, la transición vítrea resulta en una pérdida casi completa de las propiedades de carga. En un material semicristalino la disminución es significativa pero no catastrófica, y los materiales semicristalinos pueden usarse por encima de su temperatura de transición vítrea, que nosotros tenemos en cuenta en la reducción en el rendimiento que muestra la curva.

Pero ¿dónde encontramos esta información? Ciertamente no en la hoja de datos. Incluso si un proveedor de materiales da la propiedad a varias temperaturas, todavía no hay suficientes puntos para intuir la forma de la curva. La lamentable realidad es que hemos tenido la tecnología para generar las curvas en las Figs. 2 y 3 durante más de 30 años y solo algunos proveedores de materiales han hecho este trabajo.

Pero debe hacerse mucho más y son necesarios mayores esfuerzos para que los datos existentes estén más accesibles y sean más fáciles de entender y utilizar. Porque tenemos la lamentable situación de ingenieros realizando análisis de elementos finitos, utilizando los valores de propiedad que no tienen nada que ver con sus condiciones de aplicación. Decir que es el momento de un cambio sería una sutileza.