Pruebas de tensión en polímeros

Fuente: Roberto León, Departamento de Ingeniería Civil y ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Materiales poliméricos se utilizan en estructuras civiles, con usos que van desde selladores muy suaves a tubos más rígidos en los sistemas de agua y aguas residuales. La definición más básica de un polímero es una estructura molecular con la repetición de subunidades. El polímero del término viene del griego, donde "poli" significa muchos, y "-mer" significa unidad básica. Monómeros o mers sola, son las unidades de repetición específicas. Con polímeros, la estructura, incluyendo la longitud de la columna vertebral de carbono y la flexibilidad variable, determinará las propiedades del polímero. Polímeros son clasificados en 3 subcategorías: plásticos, elastómeros y polímeros de varilla rígida. Plásticos se subdividieron en termoestables, que no ablandar en calefacción y termoplásticos, que se ablandan al calentarse y endurecen al enfriarse. Además, termoplásticos son lineales o ramificados polímeros con poca o ninguna reticulación, mientras que materiales termoestables presentan estructura 3D y tienen Cross-linking extenso. Elastómeros o cauchos, son largas, en espiral cadenas y puede ampliarse a dos veces la longitud original, pero se contraerá a tamaño original cuando se libera, mientras que los polímeros de varilla rígida no estiran y son fuertes, estructuras cristalinas.

En este laboratorio estudiaremos diversos materiales polímeros, como polietileno de alta densidad (HDPE), cloruros de polivinilo (PVC), nylon, metacrilato de metilo (acrílico) para comprender la amplitud y diversidad de la tensión curvas para estos materiales y cómo sus propiedades mecánicas afectan su rendimiento.

Polímeros se componen de una estructura de carbono con cadenas laterales distintivos. Carbono presenta vinculación tetraédrica, así son capaces de la rotación, dando lugar a cadenas que pueden ser rectas, retorcido, trenzado, o doblado. La flexibilidad de los bonos está determinada por el número de dobles enlaces y vínculos de cross-linking, así como el carácter de los grupos de cadena lateral. Los bonos más dobles y cross-linking limitará la rotación. Mientras que grupos de cadena lateral pequeño permiten mayor rotación libre, grupos laterales voluminosos restringen la rotación.

Saber las diferencias entre las estructuras de los diferentes tipos de polímeros ayuda guía aplicación use. Termoplásticos tienen cadenas que no están conectadas, pero en cambio se mantienen unidas por débiles van der Waals las fuerzas, permitiendo a las cadenas de deslizan entre sí. Esta propiedad permite termoplásticos a deformarse fácilmente, y también los hace fáciles de reciclar. Por otra parte, plásticos termoendurecibles tienen fuertes enlaces covalentes y son reticulados, o conectados uno con el otro. Esta característica hace termoendurecibles plásticos difíciles de reciclar. Generalmente, los materiales son rallados y reutilizados como material de relleno.

Junto con los tipos de vinculación, otra característica que se debe considerar al seleccionar un polímero para una aplicación particular es el grado de cristalización. Polímeros pueden ser amorfos (no ordenado) o cristalino (bien ordenado), pero son generalmente en alguna parte en medio y llama semicristalino. El grado de cristalización depende de la velocidad de enfriamiento, configuración de la cadena y la química molecular. Un mayor grado de cristalización tiende a resultar en una mayor fuerza, de Young módulo (E) y resistencia a la temperatura. Por otro lado, para determinar el grado de polimerización, uno debe determinar un peso molecular de las cadenas, como en aplicaciones reales serán cadenas de diferentes longitudes. El grado de polimerización, n, es simplemente el peso molecular de una cadena dividida por el peso molecular de un monómero. El comportamiento tensión-deformación de los polímeros es muy variable. Termoplástica mostrar comportamiento dúctil y frágil, mientras que materiales termoestables tienden a sólo muestran un comportamiento frágil. Por otro lado, los elastómeros a menudo tienen módulo de Young de una baja y mostrar comportamiento no-lineal. Las propiedades de los polímeros mienten en alguna parte entre un Hookean y un material newtoniano, como dependen de la tensión, el tiempo y la temperatura. Hookean propiedades del material dependen de cepa, mientras que newtonianos propiedades de los materiales dependen de la tasa de deformación. En ensayos de tracción, algunos polímeros se someterá a collarino, donde el material puede colar y alargar a la muestra cuando se aplican fuerzas de tracción. Varios tipos de polímero se someterá a diversas formas de fallo cuando se extendía en un ensayo de tracción. La falta resultante puede ser cadena desenrollar, grietas o la separación del bloque cristalino.

Temperatura también juega un papel clave en cómo se comportarán los polímeros. T_M es la temperatura de fusión del material, y T_G es la temperatura de transición vítrea. Principalmente, si T > T_M, el material es de tipo líquido o viscoso. Sin embargo, si T < T_G, el material es vidrioso y frágil. Si T ~ T_G, el material es parecido a la goma, mientras que si T > T_G, el material es más dúctil y fluido. Y la figura ilustra este comportamiento.

1. Obtener muestras de resistencia a la tracción típicas de PVC, acrílico, nylon y HPDE materiales poliméricos.
2. Con un micrómetro, mida el ancho y el espesor en varios lugares a lo largo del eje de cada muestra para determinar las dimensiones promedio de corte transversales. Registro de la media mide ancho y espesor de cada ejemplar en la hoja de datos.
3. Coloque al espécimen en los puños. Asegúrese de que al menos el 80% de cada extremo esté firmemente agarrado a las asas, que ayudarán a asegurar contra el deslizamiento durante la operación de carga. Papel de lija puede también ser utilizado (lado del grano hacia la muestra) para mejorar el agarre de la muestra.
4. Mida la longitud de la probeta entre las cachas. Este valor es la longitud del calibre y se utilizará para el cálculo de la tensión.
5. Conecte firmemente el extensómetro electrónico al espécimen según especificación del fabricante. Nota: Las cuchillas del extensómetro no necesita colocarse exactamente sobre las marcas de medición en la muestra, pero deben ser aproximadamente centradas en la muestra.
6. Comenzar a aplicar la carga de tensión a la muestra y observar la lectura viva de la carga aplicada en la pantalla del ordenador. Si no aumenta la carga medida, la muestra se desliza a través de los puños y necesita ser reatada. En este caso, el instructor dejará la prueba y repita el procedimiento desde el paso 2.
7. Continúe aplicando carga de tracción lentamente, observando la forma de la carga generada por computadora vs gráfico del desplazamiento a lo largo de la carga.
8. En algún momento antes del fallo de la muestra, la prueba se automáticamente pausará sin descargar a la muestra. En este punto, retire el extensómetro. Si la muestra se rompe con el extensómetro en el lugar, se destruirá el extensómetro, una muy costosa pieza de equipo.
9. Carga de la muestra hasta que fallen. Registrar la carga máxima y la carga en el fracaso.
10. Retirar a la pieza rota de la máquina. Observar y documentar la situación y el carácter de la fractura.
11. Medir el ancho y el espesor de cada espécimen en la región de la falla y registrar las mediciones finales.

Fallas típicas de estos materiales se muestran en la figura 1 Fig 4. La figura 1 muestra la progresión de la insuficiencia de un polietileno, con un collarino inicial y progresión posterior del collarino arriba y abajo de la muestra como desenrollar las cadenas poliméricas. Material de polietileno de alta densidad, si cargan lentamente, puede estirar varias veces su longitud inicial (Fig. 2). PVC, por el contrario, muestra una progresión de falla similar, pero con mucho menor ductilidad (Fig. 3). Esta figura también muestra la típica influencia del grado de deformación en la capacidad de deformación; el ritmo, cuanto menor la ductilidad y la ligeramente mayor la fuerza. Por el contrario, la muestra de acrílico básicamente no sin deformaciones no lineales (Fig. 4).

Figura 1 : A. progresión de la estricción en una breve muestra de polietileno de alta densidad. B. cerca de collarino cerca apretón, mostrando la comparación al espécimen original.

Figura 2 : Grandes deformaciones en un polietileno de alta densidad cargan lentamente. La foto muestra la pieza entera cuyo extremo se muestra en la figura 1B. 

Figura 3 : Fracaso en una muestra de PVC mostrando tensión efectos del tipo.

Figura 4 : Fracaso en una muestra de acrílico.

Los resultados de las curvas de tensión-deformación para los cuatro materiales se muestran en la figura 5 a través de la figura 8.

Figura 5 : Curva del stress-strain para polietileno de alta densidad.

Figura 6 : Curva del stress-strain de PVC.

Figura 7 : Curva del stress-strain nylon.

Figura 8 : Curva del stress-strain para un acrílico de.

Es importante que tenga en cuenta que Fig. 5, Fig. 8 todos tienen muy diferentes escalas horizontales y vertical. Los resultados de esos experimentos se resumen en las tablas 1 y 2, mientras que figura 9 aparece una comparación de las curvas tensión-deformación a tensión del 50%. La diferencia en porcentajes de alargamiento (tabla 2) son impactantes y demuestran la gran variación entre el comportamiento mecánico de materiales poliméricos. La variación de resistencia es algo más pequeña, con sólo el polietileno de alta densidad que muestra un valor menor. Los rangos de comportamiento de frágil para acrílico elástico muy dúctil y suavizantes para polietileno de alta densidad.

Tabla 1: Datos brutos Resumen.

Figura 9 : Curvas de comparación de tensión, hasta a 50% de tensión, para todos los polímeros probados.

Tabla 2: Resumen de resultados.

Figura 9 muestra la gran variación en las características de la carga-deformación para varios polímeros. El comportamiento va desde la puramente fuerte, elástico y frágil para la muestra de acrílico hasta suave, altamente visco-elastico y muy dúctil para el HDPE. Estos reflejan las propiedades extrema de materiales termoestables (acrílico) en material termoplástico (polietileno de alta densidad, nylon y PVC). Es interesante notar que el PVC, que con frecuencia se utiliza en acabados y pies en nuestros edificios y hogares, muestra un buen equilibrio de fuerza, viscoelasticidad y ductilidad.

En aplicaciones de ingeniería, polímeros se usan para recubrimientos, selladores, adhesivos, revestimientos, tuberías, pipeliners, geotextiles, geomallas, geomembranas, interior acabado, reparación, restauración, así como elementos estructurales exteriores. La industria del plástico en los Estados Unidos es muy grande, y es responsable de casi 1 millón empleos y $ 308 billones en los envíos de la industria durante 2014. También hay muchos polímeros naturales usados en el campo comercial, como madera, caucho, algodón y cuero, así como en el campo de la biología, tales como proteínas, enzimas y los almidones. Incluso el Tupperware y recipientes para llevar uno utiliza al comer fuera de casa se componen de polímeros.