Ensayos de traccin para polmeros.

1. Resumen Durante la visita al LEMAT (laboratorio de metrologa y materiales) en el que se volvi 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 someti a un esfuerzo de tensin 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 grfica el esfuerzo vs. Deformacin, y se realiza una

comparacin entre las grficas que tienen la misma velocidad de ensayo, dndonos como

resultado que el esfuerzo y la deformacin disminuye por el aditivo.

2. Introduccin. Un material se lo considera como polmero solido si contiene mltiples partes o unidades

enlazadas qumicamente y que se juntan para formar un slido. Estas partes o unidades que se

juntan para la formacin de polmeros se conocen como monmeros.

Un polietileno (es un material termoplstico (que no se deforma plsticamente con la temperatura

en la que est trabajando). La estructura tiene bsicamente una estructura de cadena lineal,

como el mostrado en la figura.

El polietileno de alta densidad y tiene una estructura compuesta de redes lineales y ramas

laterales cortas inclinadas.

Propiedad Etileno baja densidad Etileno alta densidad

Esfuerzo mximo (Mpa) 9.0-14.5 26.2-33.1

Esfuerzo de rotura(MPa) 8.3-31.4 22.1-31.0

Elongacin (%) 100-650 10-1200

Tabla 1.- Algunas propiedades mecnicas de los polmeros

En un PAA el radical principal es el Hidrogeno. Es de carcter termoplstico y es semicristalino Los materiales termoplsticos pueden deformarse principalmente de forma elstica y plstica.

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

Las probetas de ensayo para materiales metlicos 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 seccin constante (perfiles, barras, etc.) o de barras obtenidas por

moldeo, se pueden utilizar como probetas las muestras sin mecanizar. La seccin de la probeta

puede ser circular, cuadrada o rectangular.

Generalmente las probetas de ensayo para materiales no metlicos se pueden preparar por

prensado, por inyeccin o bien por arranque de viruta mediante corte de planchas.

Muchos polmeros en bruto tienen una estructura a base de monmeros. Cada monmero consta

de numerosas laminillas formadas por cadenas plegadas que irrumpen a partir del centro. Las

laminillas estn separadas por material amorfo y estn interconectadas por cadenas de unin que

cruzan las regiones amorfas. El mecanismo de la deformacin plstica se describe mejor en

funcin de las interacciones de las laminillas con las regiones amorfas como respuesta al esfuerzo

aplicado. En la etapa inicial de la deformacin las laminillas deslizan una respecto de la otra y la

regin amorfa se extiende. Al continuar la deformacin, las laminillas se alinean en direccin del

esfuerzo. En la siguiente etapa, las laminillas se separan en segmentos de bloques cristalinos que

permanecen unidos por las cadenas de unin. En la etapa final, los bloques y las cadenas de unin

se orientan segn la direccin del esfuerzo aplicado. As, un esfuerzo de deformacin apreciable

genera en los polmeros semicristalinos una estructura altamente orientada. Naturalmente, la

forma de los monmeros tambin experimenta cambios. Este proceso se puede apreciar en la

Ilustracin 2.

Ilustracin 22-2.- Mecanismo microscpico de la deformacin de un polmero

Algunos de los aspectos de la deformacin macroscpica de polmeros semicristalinos merecen

una especial atencin. La curva de esfuerzo vs deformacin de los polmeros se muestra junto con

una representacin de la variacin de del perfil de la probeta a travs 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 direccin del ensayo, que es donde se concentra el esfuerzo.

Como consecuencia de eso existe resistencia a que la deformacin contine en ese punto, y se

comienza la propagacin de del cuello en las regiones adyacentes.

Ilustracin 2-3 .- Curvas tpicas para ensayos de traccin-deformacin: a) fractura frgil; b)

fractura dctil; c) formacin de un cuello y d) deformacin homognea (comportamiento tipo goma) y evolucin de las probetas rectangulares durante el ensayo de traccin

As mismo existen aditivos para los polmeros, estos aditivos modifican las propiedades qumicas,

mecnicas y fsicas en una forma mucho ms alta que la que es posible obtener con la alteracin

de su estructura molecular.

Durante nuestro ensayo se tuvo una probeta de polietileno con Carbonato de Calcio, comparando

las grficas de esfuerzo deformacin para la probeta sin aditivo y la probeta con aditivo, se

concluir con respecto a cuales son los efectos de este aditivo sobre el etileno.

De igual manera una de las particularidades de los polmeros es que la curva esfuerzo deformacin

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 consisti en obtener muestras de polietileno y de polietileno con carbonato de

calcio utilizando una prensa, luego de esto se colocaron en la mquina de ensayos universales,

para ser sometidas a una fuerza variable hasta que el material se rompiera, se les midi las

dimensiones iniciales, tanto de largo como de ancho y de espesor. Luego se tomaron los datos que

nos entreg el software del laboratorio con lo que se consiguieron los grficos que se observan en

Resultados.

4. Resultados. Las dimensiones de las probetas se encuentran en Anexos, a continuacin se muestran los grficos

esfuerzo-deformacin de las distintas pruebas y su comparacin.

El grfico de la izquierda corresponde al ensayo con el aditivo y el de la derecha el de polietileno sin l. La velocidad del ensayo es la misma para ambas probetas, por lo que en este caso se comparar la adicin del aditivo en el polmero, cuando se ensay con el polietileno nicamente se obtuvieron como esfuerzo de rotura y esfuerzo mximo 32.07 y 38.69 MPa , respectivamente , as como una deformacin 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 disminucin del esfuerzo mximo y un menor esfuerzo de rotura , as como menor deformacin antes de romperse , por lo que el material se vuelve frgil y su resistencia disminuye.

Ahora se realiza la misma comparacin , 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 mximo y de rotura por que en ambos casos estos disminuyen, esto es posible que ocurra debido a que como es ms lento el movimiento de los constituyentes microscpicos del

0,300,250,200,150,100,050,00

40

30

20

10

0

Deformacin (mm/mm)

Esfu

erz

o (

Mp

a)

38,69

0,2886

32,07

Grfica de dispersin de Esfuerzo (Gpa) vs. Deformacin (mm/mm) PRUEBA-3-Polietileno de alta densidad-v=500mm/min

0,180,160,140,120,100,080,060,040,020,00

30

25

20

15

10

5

0

Deformacin(mm/mm)

Esfu

erz

o (

Mp

a)

30,27

0,1682

27,17

Grfica de dispersin de Esfuerzo (Mpa) vs. Deformacin(mm/mm) PRUEBA-6-Polietileno+Carbonato de calcio-v=500mm/min

2,52,01,51,00,50,0

40

30

20

10

0

Deformacin(mm/mm)

Es

fue

rz

o (

MP

a)

19,42

34,96

2,44

Grfica de dispersin de Esfuerzo (MPa) vs. Deformacin(mm/mm) PRUEBA-2-Polietileno de alta densidad-v=50mm/min

0,300,250,200,150,100,050,00

30

25

20

15

10

5

0

Deformacin(mm/mm)

Esfu

erzo

(M

Pa

)

26,72

18,06

0,2847

Grfica de dispersin de Esfuerzo (MPa) vs. Deformacin(mm/mm) PRUEBA-5-Polietileno+Carbonato de calcio-v=50mm/min

material tienen ms tiempo para encontrar un estado de equilibrio adems se observa que la deformacin es mayor a esta velocidad , porque no justamente las partculas tienen un tiempo mayor para responder a estos cambios y por lo tanto se pueden estirar ms . Sin embargo s se encuentra una diferencia notoria entre la deformacin 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 har apenas 28% . Entonces se ve que el aditivo al introducirse en el material le da una mayor resistencia a la deformacin unitaria, esto porque las partculas de carbonato de calcio son ms rgidas.

Ahora la velocidad del ensayo es de 5 mm/min, cien veces menor que en los primeros

ensayos , por lo que se prev que al tener un ensayo ms lento, la deformacin en el caso

del polietileno con y sin aditivo ser mayor a todos los casos anteriores y es justamente lo

que ocurre vemos que los porcentajes de deformacin es sumamente grande se observa que

en la prueba con aditivo la deformacin antes de la rotura es de 788% y en el que sin el

aditivo es de 892% , en esta ocasin es justamente la deformacin es de 10 veces mayor

que al se obtuvo con una velocidad 100 veces mayor , nuevamente la hiptesis que se

maneja es que al existir un intervalo de tiempo mayor para que las cadenas de polmeros se

ajusten y se acomoden en una determinado posicin y de esta forma el esfuerzo no ocasiona

la rotura , incluso se observa que la zona elstica con esta velocidad tiene una deformacin

mxima en porcentaje de 50% es decir casi toda la deformacin es plstica incluso con el

aditivo . Lo que nos podra indicar que a pesar de la alta deformacin a esta velocidad esta

deformacin es irreversible.

Ahora la comparacin 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 ms frgil con la

adicin del carbonato de calcio.

5. Conclusiones En base a la comparacin de los resultados con las variables que correspondan se llega a las

siguientes conclusiones:

Las curvas esfuerzo vs deformacin unitaria de los materiales polimricos se pueden

interpretar de la misma forma que con un material metlico.

Los polmeros al estar constituidos por cadenas de tomos, llamados monmeros,

aumenta su ductilidad, ya que pueden estirarse ms que un metal en las mismas

condiciones.

Existen normas que proveen las directrices para los ensayos de traccin de materiales

polimricos.

Las propiedades mecnicos del etileno son distintas dependiendo de la velocidad a la que

se realiza el ensayo.

Al aumentar la velocidad del ensayo, la deformacin unitaria antes de la rotura disminuye,

por lo que el etileno se vuelve ms frgil.

A l aumentar la velocidad del ensayo, la resistencia mecnica disminuye en el etileno.

El aditivo carbonato de calcio en el etileno, provoca que el material se vuelva frgil, es

decir que disminuya su deformacin, por lo que sera til en aplicaciones en las que el

etileno no est sometido a grandes esfuerzos y se requiera poca deformacin.

En el etileno con carbonato de calcio, en cambio al aumentar la velocidad del ensayo se

aumenta la resistencia mecnica.

La velocidad a la que se realiz el ensayo influyo en el tiempo de duracin de la prueba, a

mayor velocidad ms rpido ocurri 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 mquina de ensayos universales, es necesario que se tomen las

mediciones correctas de las dimensiones de la probeta para que no ocurran errores en los clculos

que se realizaron para poder obtener las grficas 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 precisin de 0.01 mm.

Clculos representativos.

A forma de ejemplo se presenta el clculo del esfuerzo y la deformacin para la siguiente

medicin de la prueba 1 que corresponde a:

Nombre: Espesor Anchura Longitud calibrada

Unidad de longitud mm mm mm

PRUEBA-1-Polietileno de alta densidad-v=5mm/min 30.000 129.900 500.000

PRUEBA-2-Polietileno de alta densidad-v=50mm/min 30.000 129.900 500.000

PRUEBA-3-Polietileno de alta densidad-v=500mm/min 30.100 131.300 500.000

PRUEBA-4-Polietileno+Carbonato de calcio-v=5mm/min 32.500 103.500 500.000

PRUEBA-5-Polietileno+Carbonato de calcio-v=50mm/min 32.500 103.500 500.000

PRUEBA-6-Polietileno+Carbonato de calcio-v=500mm/min 32.500 103.500 500.000