Comportamiento mecnico

Parte 1. Generalidades

Abril 2013

Colour responsive smart polymers and biopolymers films through nanodispersion of organic chromophores and metal particles

Comportamiento esfuerzo - deformacin

Las propiedades de los polmeros se especifican con

Mdulo de elasticidad

Fuerza tensil

Las caractersticas mecnicas de los polmeros sonmuy sensibles a los cambios de T, tiempo, carga(tipo y magnitud), radiacin UV, qumicos, etc.

Comportamiento especial de los polmeros vs fuerza aplicada

Las macromolculas no se deforman en cuanto lacarga se aplica, ni tampoco se relocalizan en sulugar una vez retirada dicha fuerza.

Esfuerzo-deformacin

Se han encontrado experimentalmente distintostipos de comportamiento de los materialespolimricos

rgido

plstico

elstico

Curva para polmero plstico

Determinacin de TS y y

Fuerza tensil deformacin donde se fractura

Stress yield (fluencia), valor mximo de carga

Valores de las propiedades mecnicas para polmeros

Mdulo elstico 7 MPa 4 Gpa

Elongaciones hasta de 1000% para algunoselastmeros

Dependencia de las propiedades mecnicas con la Temperatura

De las isotermas obtenidas paraPLEXIGLAS (polimetilmetacrilato),al aumentar la T, disminuye elmdulo elstico, se reduce lafuerza tensil y a baja T elmaterial es sumamente frgil

Entre 50-60C la deformacin esenorme

Deformacin VISCOELSTICA

Aplica para polmeros amorfos que se comportancomo vidrios a bajas temperaturas y gomosos a Tintermedias (por encima de Tg)

En deformaciones pequeas, el comportamientopuede ser elstico, conforme con la ley de Hooke

A altas T prevalece el comportamiento viscoso olquido

A T intermedias se presentan caractersticasmecnicas combinadas

Curva esfuerzo-deformacin para un polmero semicristalino

La deformacin elstica es instantnea, hay recuperacin de las dimensiones originales del especimen

Deformacin irreversible

Deformacin reversible

Deformacin con respecto al tiempo

Carga vs tiempo Aplicada de ta-tr

Deformacin vs tiempo

Respuesta viscoelstica Respuesta viscosaf(t)

Respuesta elsticaIndependiente t

Mdulo viscoelstico de relajacin

El comportamiento viscoelstico tiene fragmentosdependientes e independientes del tiempo ytemperatura

Se obtiene dicho valor de medir la carga necesariapara mantener la deformacin en funcin deltiempo, a T cte.

Se define entonces el MDULO DE RELAJACIN,dependiente del tiempo para polmerosviscoelsticos

DEFORMACIN MACROSCPICA

La curva de esfuerzo-deformacin de polmeros semicristalinos muestra en general DOS etapas: una de deformacin reversible y la otra irreversible

El especimen en la regin irreversible pasa del alargamiento del cuello a la extensin total

Deformacin viscoelstica

Polmeros

amorfos

Vidrio

Baja T

Comportamiento elstico: Ley de

Hooke

Slido gomoso

T intermedia

Comportamiento gomoso,

caractersticas combinadas

VISCOELASTICIDAD

Lquido viscoso

T altas

Comportamiento viscoso

Relacin carga vs deformacin (t)

Ciclo de carga f(t)

Material elsticoDeformacin INDEPENDIENTE (t)

Material viscoelsticoambos

Material viscosoDEPENDIENTE (t)

Cuando se presenta el comportamiento viscoso, ni ladeformacin ni la relajacin son inmediatos, sepresentan retrasados por un intervalo de tiempo.

Mdulo de relajacin viscoelstica

Ya que las propiedades de los materialesviscoelsticos dependen del t y T, se han utilizadodiversas tcnicas experimentales para medir ycuantificar la respuesta.

Relajacin

STRESS RELAXATION

T cte.

La tensin aplicada es

contnua, y se miden los cambios

respecto al t

Deformacin del especmen

rpidamente bajo tensin, a un

nivel bajo y predeterminado

La tensin disminuye respectoal tiempo, debido a losprocesos de RELAJACINMOLECULAR

Se define el MDULO DERELAJACIN

El valor del mdulo de relajacin es DEPENDIENTEde la Temperatura

El estudio de estos materiales deben inclur unanlisis a distintas temperaturas

POLMERO VISCOELSTICO ISOTERMAS DEPENDENCIA DEL MDULO DE RELAJACIN CON RESPECTO AL TIEMPO

POLMERO VISCOELSTICO

La magnitud de E disminuyerespecto al tiempo

t1=10s a bajas T, regin vtrea elmaterial es frgil y rgido. El valorde E(10s) corresponde al delmdulo elstico

Despus, el incremento de la Tproduce una abrupta disminucinde E, corresponde al intervalo detransicin vtrea

PS, cinco regiones del comportamiento viscoelstico

Meseta gomosa: amboscomponente viscoso yelstico

Regin fludo-gomosolquido muy viscoso:componentes elstico yfludo gomoso

Regin fludo viscoso:mdulo de relajacindisminuye dramticamentecon aumento de T

Molecularmente, el mov. de las cadenas es tan grande que las cadenas vibran y rotan libremente

Curva de mdulo de relajacin en funcin de la T, PS

B meseta que termina endescomposicin (nofunde)

C la misma que en laanterior

A el valor del mdulo semantiene alto, hasta quealcanza la Tfusin(240C)

A cristalino, isotctico

B poco entrecruzado, atctico

C amorfo

Viscoelastic Creep / Deformacin viscoelstica

Deformacin dependiente del tiempo, tensinconstante

Se aplica una fuerza instantnea y se mantiene anivel constante y se mide la DEFORMACINrespecto al tiempo

Se realizan en condiciones isotrmicas

CARACTERSTICAS MECNICAS

Impacto

Fatiga

Dureza

Fuerza de impacto

Los polmeros muestran fractura dctil bajocondiciones de carga, dependiendo de la T, tamaodel especmen, velocidad de tensin, modo decarga.

La fuerza de impacto disminuye a altas T, elpolmero se ablanda

FatigaCurva ciclos vs deformacin

Bajo condiciones de carga cclica se observafractura por fatiga

Con lmite de fatiga: la tensin a la ruptura es independiente

de los ciclos

Los polmeros son mucho ms sensibles a la frecuencia de

carga que los metales

Si se someten a altasfrecuencias de carga, se puedeocasionar calentamientolocalizado y as la rupturapuede deberse aablandamiento ms que a lafatiga

Tear strength y dureza

Polimeros tienen la capacidad de resistencia aldesgarre (pelculas delgadas)

Se aplican las mismas pruebas experimentales quea metales

Durmetro, Barcol, Rockwell

MECANISMOS DE DEFORMACIN

Deformacin elstica

Deformacin plstica

Predeformacin

Tratamiento trmico

Modelos de deformacin

PARA SEMICRISTALINOS

PARA ELASTOMRICOS

DEFORMACIN DE POLMEROS SEMICRISTALINOS

La deformacin ocurre a bajas cargas, segn lacurva.

ETAPA 1 La deformacin ELSTICA se origina enlas regiones amorfas elongndose en la direccinde la fuerza aplicada

Dos lamelas adyacentes y material amorfo interlamelar

DEFORMACIN ELSTICA

ETAPA 2 Si la deformacin contina, entonces tanto la regin cristalina como la amorfa, sufrirn cambios

Ambas se elongan, t es reversible

Se debe a los movimientos de estiramiento y flexin de los

enlaces covalentes

MECANISMOS DE DEFORMACIN PLSTICA

La transicin dedeformacinELSTICA aPLSTICA ocurre enla ETAPA 3: lascadenas de laslamelas se deslizanentre ellas, laslamelas se alineancon el eje de lafuerza aplicada

DEFORMACIN PLSTICA

En la ETAPA 4, losbloques cristalinos seseparan de la lamelay dichos segmentospermanecen unidospor las cadenasamorfas

En la etapa final, ETAPA5 los bloques y lascadenas se orientan en ladireccin del eje tensil

Ya realizada la deformacin, las esfrulasexperimentan grandes cambios estructurales deforma y a deformacin intensa, la subestructura estotalmente destruda

Recocido

Tratamiento trmico

Ablanda el material y se recupera la estructurainicial enfrindolo

La combinacin cclica de los procesos decalentamiento enfriamiento llevan a la obtencinde un material con grandes deformaciones(alcanzadas de manera gradual) que no se puedenconseguir por otros mtodos.

RECOCIDO

Aumenta la PLASTICIDAD, DUCTILIDAD y TENACIDAD en metales

Aplicaciones:Ablandar para facilitar el procesado

Es un proceso en etapas:Calentamiento Mantener la T por un t determinado Enfriado a T ambiente

RECOCIDO EN METALES

Eliminacin de tensiones (calentamiento, enfriamiento lento)

De ablandamiento (calentar, mantener por horas la T, enfriar, alternadamente subir y bajar la T)

Normal

ANNEALING polmeros

Si se somete el material a deformacin y secalienta a T elevada (cercana al Tfusin),alenfriarse se observar la recristalizacin paraformar de nuevo la estructura de esfrula.

Como resultado final, el especimen reducir susdimensiones iniciales (encogimiento)

EL grado de RECUPERACIN depender de la Tannealing y del grado de ELONGACIN.

LAS PROPIEDADES MECNICAS DEPENDEN DE:

Peso molecular

Grado de cristalinidad

Predeformacin

Tratamiento trmico, T

PESO MOLECULAR Y PROPIEDADES MECNICAS

La fuerza tensil aumenta si lo hace el Mw

La funcin que las relaciona es:

Porque aumenta el no. de regiones enredadas entrelas cadenas

Fuerza tensil al M infinitoA= cte

GRADO DE CRISTALINIDAD Y PROPIEDADES MECNICAS

En polmeros semicristalinos (con fuerzassecundarias, dbiles en las regiones amorfas) , elMDULO TENSIL aumenta considerablemente conel GRADO DE CRISTALINIDAD.

Si aumenta el grado de cristalinidad, tambin lohace LA FUERZA, as que el material es ms RGIDO

Mw y K en las caractersticas fsicas del PE

PREDEFORMACIN / drawing

Comercialmente, para mejorar la resistenciamecnica y el mdulo tensil es la DEFORMACINPERMANENTE del polmero bajo tensin, se llamaDRAWING.

Corresponde al estiramiento del especimennecking

En el drawing pre-deformacin por estiramiento,las cadenas se deslizan una sobre otra y se vuelvenms orientadas

Son materiales anisotrpicos, debido a que ladeformacin no es homognea

Los valores de fuerza del material incrementan enun factor de 3, respecto a los que no han sidopredeformados.

El tratamiento trmico (annealing) puede llevar a unaumento en la CRISTALINIDAD, en el tamao de lacristalita y perfeccin

Incrementa el MDULO TENSIL, DUREZA y reducela DUCTILIDAD (al contrario de los metales)

Tiempo de relajacin

Tendencia del material (dependiente del tiempo)para alcanzar el estado de equilibrio cuando sesomete a una carga externa

Se obtiene a partir de la respuesta viscosa yelstica de la ecuacin: