Propiedades

Propiedades de los Polímeros

Existen un sin fin de propiedades en los materiales que en la enciclopedia se abordan con más detalle, deben de seguir ciertos lineamientos marcados por normas internacionales tales como ISO (International Standards Organization) o ASTM (American Society for Testing and Materials).

Aquí enlistamos las más comunes o utilizadas.

• Propiedades Mecánicas
• Propiedades Térmicas
• Propiedades Eléctricas
• Propiedades Ópticas
• Otras Propiedades

Propiedades Mecánicas

Módulo de Flexión

El módulo de flexión o de doblado es la proporción entre tensión y deformación en la deformación por flexión o la tendencia de un material a ser doblado. Se determina a partir de la pendiente de una curva tensión-deformación producida durante la prueba de flexión y utiliza unidades de fuerza por área.

Una barra se sostiene como una simple viga apoyada y se le somete a un doblado en 3 puntos. La barra se flexiona hasta que se rompe o se deforma 5%.

Las propiedades de Flexión se miden bajo el método ASTM D790.

Estrés a la Flexión

Es el estrés en la superficie externa de la barra muestra al aplicar fuerza en su punto medio, la prueba ASTM D790 mide el estrés a la cedencia y el estrés a la ruptura.

La cedencia es el punto de deformación en el que hay una deformación permanente, un ejemplo es cuando se estira una liga, la podemos estirar pero llega un momento en que empieza a verse blanquizca al centro y sabemos que la liga está a punto de romperse.

Fuerza de Flexión

Es el estrés a la flexión máximo del material y también se le conoce como módulo de ruptura, resistencia al doblado o resistencia a la fractura.

Tensión – ASTM D638, ISO 527-1,-2

La prueba de tensión se desarrolla estirando una probeta de ensayo y midiendo la carga que lleva dicha probeta. Los valores de deflexión y carga pueden traducirse en una curva de estrés-deformación y una variedad de propiedades se pueden extraer de esta curva.

Módulo de Tensión

Es la relación entre estrés a la tensión y deformación por tensión en la región elástica de una curva estrés-deformación. Un valor «tangente» de módulo de tensión es la pendiente de la región elástica de la curva estrés-deformación y es también conocida como Módulo de Young o Módulo de Elasticidad.

Elongación a la Ruptura

Elongación a la ruptura también conocida como tensión de fractura, es la relación entre la longitud cambiada y longitud inicial después de la rotura de la probeta de ensayo. Expresa la capacidad de un material para resistir cambios de forma y sin formación de grietas.

Resistencia a la Tensión a la Cedencia

La resistencia a la tensión a la cedencia es el nivel de estrés por tensión en el que el aumento en la curva de estrés-deformación es igual a cero por primera vez.

La resistencia a la tensión a la ruptura es el estrés por tensión al momento en el que el especímen se rasga.

Resistencia al Impacto

La resistencia al impacto describe la capacidad de un material para absorber los golpes y la energía de impacto sin romperse. La resistencia al impacto se calcula como la relación de absorción de impacto y la sección transversal de la probeta. La tenacidad que es otra forma de describir el impacto depende de la temperatura y la forma de la probeta.

Impacto con Péndulo

Existen varios métodos diferentes par determinar la resistencia al impacto, las más utilizadas son por golpe lateral de la probeta con péndulo conocidas como Izod (ASTM D256, ISO 180) y Charpy (ASTM D6110, ISO 179).

En el caso de golpe con péndulo las probetas se pueden impactar completas o también se les puede impactar haciéndoles primero una muesca para aumentar la sensibilidad de la probeta al impacto, las muescas son diferentes dependiendo el método, aquí se muestran el tipo de muescas.

Estos dos métodos se diferencian en que según Charpy, la probeta de ensayo está soportada en ambos extremos, mientras que según Izod la muestra de ensayo se sujeta solamente en un lado. También el lugar para el impacto varía.

Impacto por Caída Libre de Dardo (ASTM D5628, ASTM D5420, ISO 7765)

El impacto por caída de dardo consiste en un equipo en que un dardo con ciertas dimensiones y peso se le deja caer de diferentes alturas hasta encontrar la altura a la que se deforma o fractura la probeta, la cual consiste en un cuadro plano que se sostiene de todos sus bordes para que el dardo impacte su centro.

Esta prueba mide la energía necesaria para perforar un material por el impacto con un dardo que cae bajo condiciones de ensayo especificadas. Esta prueba mide el comportamiento al impacto multiaxial de un material.

Este tipo de prueba puede ser por caída libre del dardo, una muy conocida es impacto Gardner o puede ser con dardo manejado por computadora (ej. Dynatup).

Dureza

La dureza es la resistencia mecánica que un material opone contra la penetración mecánica de un cuerpo de prueba más duro. La definición de dureza difiere de la fuerza, la cual representa la resistencia de un material a la deformación. La dureza es también una medida de las propiedades de abrasión de un material. Los materiales más duros generalmente demuestran una mejor resistencia a la abrasión que otros.

En el caso de polímeros termoplásticos, en general se utilizan dos métodos de ensayo diferentes.

Junto con la prueba de indentación de bola, también se determina la dureza Shore.

Dureza por Indentación de Bola (ISO 2039-1)

Una bola o esfera de 5 mm de diámetro es presionada sobre una probeta de prueba con una carga inicial de 9.8 N (Newtons) y se va aumentando a una carga específica por 30 segundos. La profundidad de la deformación resultante se mide para calcular el área de la superficie de la impresión. La dureza posteriormente se expresa como la carga en Newtons dividida entre el área de la superficie de la indentación en mm2. N/mm2=MPa.

El valor de la dureza se muestra con una «H» (por su sigla en inglés).

Dureza Shore Durómetro (ASTM D2240, ISO 868)

Esta es una medida de la resistencia a la indentación de un material plástico o elastomérico basada en la penetración de un indentor cónico. Los valores de durezan van desde 0 (penetración total) hasta 100 (sin penetración).

Existen dos tipos de durómetros generalmente usado con polímeros plásticos: A y D. Se recomienda que las pruebas con durómetro D se utilicen cuando los resultados con el durómetro A sean mayores que 90 y que las pruebas con durómetro A sean utilizadas cuando los resultados con durómetro D sean menores de 20. Los valores menores de 10 con durómetro A son inexactos y no se reportan.

Propiedades Térmicas

Punto de Fusión (ISO 3146, ASTM D794)

El punto de fusión de una resina es la temperatura a la cual cambia de estado sólido a líquido a presión atmosférica. En el punto de fusión las fases sólida y líquida existen en

equilibrio. El punto de fusión de una resina depende de la presión y usualmente se especifica una presión estándar.

Al contrario cuando una resina pasa de estado líquido a sólido se le conoce como punto de cristalización.

Muchas de las propiedades térmicas se determinan por medio de calorímetro diferencial de barrido (DSC por sus siglás en inglés, differential scanning calorimeter).

Punto de Transición Vítrea (ASTM ASTM D3418)

La transición vítrea es el cambio reversible a un polímero amorfo o a regiones amorfas de un polímero semi-cristalino desde (o hacia) una condición viscosa o elástica a (o de) una condición rígida y relativamente quebradiza. Esta transición ocurre a una temperatura llamada punto o temperatura de transición vítrea o Tg.

La temperatura de transición vítrea es la temperatura a la cual las propiedades físicas de un polímero cambian de las de un material similar al cristal a las de un material elástico. Por lo general, se asocia con el inicio del movimiento de largo alcance en el esqueleto del polímero debido a los efectos de la temperatura. Tanto las propiedades mecánicas como las eléctricas se degradan significativamente a medida que la temperatura aumenta por encima de la Tg.

La Tg es generalmente un rango de temperatura estrecho, en lugar de un punto definido, como en la temperatura de congelación o la ebullición.

La forma más común de estimar la temperatura de transición vítrea o Tg es por medio del coeficiente de expansión volumétrica, ya que en el punto de la Tg se puede ver un cambio en la inclinación de la curva de volumen-temperatura.

Otras formas comunes de determinar la Tg son por análisis térmico diferencial (DTA) o calorimetría diferencial de barrido (DSC), ambos especificados en el método ASTM D3418.

Punto de Reblandecimiento Vicat (ASTM D1525, ISO 306)

La temperatura a la que una aguja de 1 mm2 de punta roma penetra 1 mm en un material bajo una carga específica y rango de calentamiento. La temperatura de reblandecimiento Vicat se puede utilizar para comparar las características de ablandamiento por calor de diferentes materiales. Dos velocidades de calentamiento diferentes y dos cargas diferentes se pueden utilizar para la prueba.

Temperatura de Deflexión Bajo Carga (ASTM D648, ISO 75)

La temperatura de deflexión bajo carga (DTUL por sus siglás en inglés, Deflection Temperature Under Load) es la temperatura a la cual una probeta de prueba se desvía 0.25 mm cuando se carga en 3 puntos de flexión a una tensión máxima especificada. La temperatura de deflexión se utiliza para determinar la resistencia al calor a corto plazo. Una probeta de ensayo se carga en 3 puntos de flexión en la dirección del canto. Las cargas utilizadas para las pruebas son 0.455 MPa (66 psi) y 1.82 MPa (264 psi). La temperatura se aumenta a razón de 2°C/min hasta que la muestra se desvía 0.25 mm (0.010 in).

Con DSC también se pueden conseguir otras propiedades térmicas como le punto de transición vítrea (Tg).

Temperaturas de Servicio (DIN 53476)

La temperatura de servicio es una característica del material que provee información sobre su estabilidad térmica. Hay que considerar un valor de temperatura alto y bajo y también el tiempo de servicio a esta temperatura para limitar el uso del material en cada aplicación.

Otras Propiedades Térmicas Importantes

• Coeficiente de expansion térmico lineal (DIN EN ISO 53752)
• Temperatura de Transición Vitrea (ASTM E1356)
• Conductividad Térmica (ASTM C177, ISO 8302)

Propiedades Eléctricas

Los polímeros son predominantemente no conductores eléctricos o aislantes. Propiedades tales como resistencia y fuerza dieléctrica son decisivas para su aplicación como materiales aislantes. Sin embargo, la conductividad de los plásticos se puede ajustar selectivamente mediante el uso de aditivos o cargas. Las posibles modificaciones pueden ir tan lejos como producir materiales altamente conductores.

Fuerza Dieléctrica (ASTM D149, IEC 60243-1)

La fuerza dieléctrica es el voltaje por unidad de espesor en la que un material conduce electricidad. Cuanto más alto sea este valor, más eléctricamente aislante un es el material.

La probeta de ensayo se coloca entre dos electrodos. El voltaje se aplica de una forma especificada hasta que el mateiral experimente un colapso dieléctrico, una quemadura eléctrica que atraviese (punción) la probeta. La prueba se realiza utilizando uno de los tres métodos que se describen a continuación:

1. Baja Velocidad de Aumento: El voltaje se va aumentando a una velocidad uniforme hasta lograr el colapso dieléctrico del material.
2. Tiempo Corto: El voltaje se va aumentando a partir del 50% del voltaje de colapso  a una velocidad uniforme hasta lograr el colapso dieléctrico del material.
3. Paso a Paso: El voltaje se va aumentando a partir del 50% del voltaje de colapso  en aumentos iguales para un tiempo especificado hasta el colapso dieléctrico del material.

Resistividad Volumétrica y Resistividad Superficial (ASTM D257, IEC 60093)

La resistividad volumétrica es la resistencia a fugar corriente a través del cuerpo de un material aislante. La relación del gradiente potencial paralelo a la corriente en un material a la densidad de corriente.

En el SI, la resistividad volumétrica es numéricamente igual a la resistencia de corriente directa entre las caras opuestas de un cubo de un metro de material (Ohm-m).

La resistividad superficial es la resistencia a fugar corriente a lo largo de la superficie de un material aislante. La resistencia eléctrica entre dos electrodos paralelos en contacto con la superficie de la probeta y separados por una distancia igual a la longitud de contacto de los electrodos. Por tanto, la resistividad es el cociente del gradiente potencial, en V / m, y la corriente por unidad de longitud del electrodo, A / m. Ya que los cuatro extremos de los electrodos definen un cuadrado, las longitudes en el cociente se anulan y las resistividades superficiales se reportan en ohms, aunque es común ver la unidad más descriptivo de ohmios por cuadrado.

Propiedades Ópticas

Brillo (ASTM D2457, ASTM D523)

El brillo es una medida de qué tan brillante o reflectivo es un material a un ángulo especificado basado en su índice de refracción.

Una fuente de luz incandescente es dirigida a la muestra de ensayo en un ángulo de incidencia especificado. Se coloca un receptor en la reflexión de espejo del haz incidente. Se utiliza un vidrio negro pulido con un índice de refracción de 1,567 estándar y se le asigna un brillo de 100 para todas las geometrías. Las mediciones se realizan utilizando un medidor de brillo.

Las geometrías para medición de brillo son:

• Ángulo de 20° – alto brillo
• Ángulo de 45° – brillo intermedio a bajo
• Ángulo de 60° – brillo intermedio

Es importante considerar que los valores de brillo sólo pueden compararse entre materiales similares y procedimientos de prueba similares. Los valores de brillo para materiales transparentes y opacos no son comparables. El brillo varía con la rugosidad y planicidad de la superficie y veces el brillo también se utiliza para evaluar estas propiedades.

Neblina y Transmitancia (ASTM D1003) 

Transmitancia: Es el porcentaje de luz incidente que es capaz de pasar a través de un material. Cuanto mayor sea el valor de transmitancia mayor la transparencia del material.

Neblina: Es el porcentaje de luz transmitida que se dispersa más de 2.5 ° de la dirección del haz incidente. Los materiales con valores de neblina mayor a 30% se les considera difusores.

La prueba se realiza ya sea en un nebulímetro (Procedimiento A) o un espectrofotómetro (Procedimiento B). En ambos casos, la luz pasa a través de la muestra en su camino hacia un fotodetector. Cuando los valores del nebulímetro y espectrofotómetro no coinciden, se les da prioridad a los valores del nebulímetro.

Indice de Amarillamiento (ASTM E313)

El índice de amarilleamiento es un número calculado a partir de valores espectrofotométricos que describe el cambio en el color de una probeta de claro o blanco hacia el amarillo. Este examen se utiliza con mayor frecuencia para evaluar los cambios de color en un material causada por la exposición a rayos UV, degradación térmica, etc.

Otras Propiedades:

Densidad y Gravedad Específica (ASTM D792, ASTM D1501, ASTM D4883, ISO 1183)

La densidad o densidad volumétrica de masa de una sustancia es la masa por unidad de volumen. El símbolo más comúnmente utilizado es ρ (la letra rho minúscula del alfabeto griego), aunque la letra D también se utiliza. Matemáticamente la densidad se define como la masa (peso) de una sustancia dividida entre su volumen:

ρ= m / V

en donde ρ es la densidad, m es la masa y V es el volumen.

 La gravedad específica es el coeficiente de la densidad de una sustancia dividida entre la densidad de otra sustancia de referencia. Por sus siglas en inglés se le conoce como SG.

Por lo general la sustancia de referencia que se utiliza es el agua ya que su densidad a 20°C es de 0.999972 g/cm3, prácticamente 1 g/cm3. La manera de calcular la gravedad específica es:

SGSUS = ρSUS / ρH2O

En donde SGSUS es la gravedad específica de la sustancia, ρSUS es la densidad de la sustancia y ρH2O es la densidad del agua y al tratarse de un coeficiente, la gravedad específica es un valor sin unidades.

Índice de Fluidez – ASTM D1238

El índice de fluidez que por sus siglas en inglés se le conoce como MFI (melt flow index) o MFR (melt flow rate) es una medida de la facilidad de flujo de un polímero termoplástico. Está definido como la masa de polímero en gramos que fluyen en diez minutos a través de un orificio capilar de un diámetro y longitud específicos a una presión y temperatura dadas.

El MFI se mide en gramos que fluyen en 10 minutos (g / 10 min).

El índice de fluidez puede ser utilizado para diferenciar grados o dar una medida de la degradación de un material, esto último debido a que al degradarse un polímero se rompen sus cadenas moleculares la cuales al ser más cortas fluirán con mayor facilidad que la cadena original.

Dinámica y Reología

Los polímeros son moléculas largas hechas de juntar muchas pequeñas moléculas (o monómeros). A veces las moléculas de polímero son lineales, pero muy a menudo, especialmente en el caso del polietileno de baja densidad (LDPE) utilizado para hacer botellas de plástico, que contienen muchas ramas.

Durante la fabricación de materiales y productos poliméricos (o plásticos), los líquidos que contienen polímeros están sujetas a su flujo. El modo en que reaccionan estos líquidos está determinado por las formas o configuraciones que adoptan las moléculas. Las moléculas de polímero se comportan como resortes y se estiran por el flujo, dando lugar al comportamiento fuertemente elástico de los fluidos poliméricos. El estudio de la dinámica de las moléculas de un polímero es muy importante para la comprensión del flujo de fluidos poliméricos.

Si las moléculas de polímero se superponen lo suficiente, entonces se enredan (como espaguetis) de modo que se limitan en su movimiento. El «modelo de tubo» para polímeros enredados, proporciona un marco conceptual para comprender el movimiento restringido y para hacer predicciones matemáticas sobre la respuesta de los polímeros al flujo.

Los puntos de ramificación en las moléculas de polímero proporcionan obstáculos adicionales al movimiento de los polímeros enredados, de modo que la distribución de los puntos de ramificación en las moléculas puede ser un factor crítico en la determinación de las propiedades del flujo.

Todos los plásticos son no newtonianos. Esto significa que su viscosidad no permanece constante en un rango dado de velocidades de fricción (o cizallamiento). En sentido estricto, el comportamiento reológico de un plástico es una combinación de comportamiento no newtoniano y newtoniano. A velocidades de cizallamiento más bajas, el plástico es no newtoniano, pero a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento, el plástico tiende a presentar un comportamiento newtoniano. Esto ocurre porque con el aumento de la velocidad de cizallamiento, las moléculas de polímero empiezan a desenredarse entre sí y empiezan a alinearse en la dirección del flujo.

Absorción de Humedad – ASTM D570, ISO 178

Se trata del porcentaje de aumento en peso de un material después de haber sido expuesto a condiciones específicas de humedad. La absorción de humedad puede afectar las propiedades mecánicas y eléctricas de un polímero. La cantidad de humedad a absorber dependerá de varios factores tales como el tipo de polímero, aditivos, temperatura, tiempo y temperatura de exposición.

Comúnmente se miden 3 tipos de absorción de humedad:

1. Después de 24 horas: las piezas se sumergen en agua a 23°C por 24 horas
2. Humedad de Saturación: las piezas se sumergen en agua a una temperatura determinada hasta que las piezas llegan a un peso máximo.
3. Humedad al Equilibrio: las piezas son expuestas a la humedad del ambiente por lo general por 24 horas a 23°C y una humedad relativa en el ambiente de 50%.