CAPÍTULO II: ENSAYOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL
COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES
PLÁSTICOS 2.1.- Generalidades
En la industria para el diseño de moldes plásticos si bien es importante tener en cuenta los diferentes materiales para su construcción y las propiedades físico-mecánicas y su composición química, también es importante tener en cuenta los diferentes ensayos que se realizan para determinar estás propiedades en cada uno de los materiales para observar su comportamiento.
La realización de un ensayo sobre un material o una pieza fabricada representa el único método para determinar las propiedades del mismo. Los ensayos se realizan en todo tipo de materiales: metálicos, cerámicos y polímeros. En el caso de estos últimos plásticos y cauchos. Los ensayos se llevan a cabo tanto sobre el polímero aditivado (granza) como sobre el producto final.
Estos ensayos miden una propiedad o varias a la vez y han de ser diseñados de tal manera que puedan realizarse lo más exactamente posible. [10]
2.2.- Máquinas estáticas para el ensayo de materiales plásticos
El ensayo de tracción sigue siendo el más importante para determinar las propiedades específicas de materiales plásticos. Con sus máquinas de ensayos, mordazas, extensómetros y paquetes de software Zwick ofrece un sistema totalmente adaptado para la realización de ensayos de tracción según las normas ISO 527-1/-2 y ASTM D 638. Además de los ensayos manuales, los sistemas de ensayos también pueden equiparse con un sistema de manipulación para la alimentación de probetas.
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Tanto la norma ISO 527-1/-2 como la ASTM D 638 especifican métodos para el ensayo de tracción. Ambas normas son técnicamente equivalentes pero no ofrecen resultados completamente comparables ya que las formas de las probetas, velocidades de ensayo y la manera de hallar los resultados difieren entre sí. [
Con un programa de ensayo estándar, el usuario tendrá siempre la seguridad de utilizar los parámetros de ensayo correctos en cada momento, tanto para ISO como para ASTM. La determinación del módulo, según la descripción incluida en la norma ISO 527, requiere que el extensómetro empleado sea de una precisión de ± 1 µm. Tanto los extensómetros incrementales de Zwick como los extensómetros incrementales clip-on cumplen todos los requisitos, incluso los sobrepasan, pues permiten realizar recorridos de medición largos de hasta 700 mm en las clases 0,5 o 1
Las propiedades mecánicas de materiales plásticos varían dependiendo del tipo de plástico, así como de los aditivos que pueden ser incorporados en la formulación. Propiedades, tales como dureza, ductilidad y resistencia, están influenciadas por diferentes tipos de aditivos. Para determinar el equipo de ensayo adecuado, es importante entender como el material cambia de comportamiento como consecuencia de los aditivos añadidos.
Seleccionar el extensómetro adecuado puede ser una tarea difícil cuando interesa medir tanto el módulo como la deformación a rotura. Para algunos tipos de extensómetros, como un extensómetro clip estático, la precisión está en función de la cantidad de recorrido del extensómetro. Cuanto mayor es el recorrido que un extensómetro es capaz de realizar, menor será la precisión. Esto hace difícil medir la deformación a la rotura para los plásticos que tienen un módulo relativamente alto. Puesto que la norma exige
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que la medición de la deformación sea directa sólo hasta el límite elástico, los extensómetros clip estáticos son adecuados para la determinación del módulo de elasticidad.
Normalmente, los extensómetros con una alta resolución tienen un recorrido limitado y es necesario extraerlos de la probeta durante un ensayo. Extensómetros de vídeo sin contacto, como el Extensómetro de vídeo avanzado (AVE) o el Extensómetro de vídeo estándar (SVE), tienen la resolución y flexibilidad adecuadas para medir el módulo y la deformación en la rotura para la mayoría de los plásticos. Además de los extensómetros, recomendamos utilizar mordazas de cuña mecánicas o mordazas de acción lateral neumática para realizar ensayos de plásticos como se muestra en la figura 2.1.
Figura 2.1: Extensómetro de vídeo avanzado en un sistema de ensayo 5969
Durómetros para termoplásticos y compuestos de moldeo
La dureza es una condición de la superficie del material, no representa ninguna propiedad de la materia y está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas del material. Si bien, es un término que nos da idea de solidez o firmeza, no existe una definición única
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acerca la dureza y se la suele definir arbitrariamente en relación al método particular que se utiliza para la determinación de su valor.
El término «dureza» se define generalmente como la resistencia de un material ante la penetración de un cuerpo más duro. En el área de los materiales plásticos se aplican varios métodos de ensayo de dureza.
Dureza Shore
Con este procedimiento se mide con qué profundidad un cuerpo penetra dentro de un material. Cuanto más grande sea la dureza del material a ensayar, menor es la profundidad de penetración y mayor será la carga aplicada.
Según la variación de las diferentes características de los muelles se establecen una serie de escalas Shore diferentes. Las escalas más conocidas son Shore A y D. Para aplicaciones específicas existen otras escalas, tales como Shore B, C, 0, 00, 000, y D0. El campo de aplicación comprende desde los elastómeros blandos (Shore A) hasta los termoplásticos (Shore D).[10]
Zwick produce durómetros Shore analógicos, pero también en versión digital con pantalla y con opción de conexión a un PC como se muestra en la figura 2.2.
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2.3.- Ensayos físicos para determinar las características de los polímeros y plásticos
Las caracteríscas materiales de los polímeros y plásticos son de gran importancia para el sector automovilístico, ya que pequeñas diferencias en las especificaciones pueden tener un efecto negativo sobre la capacidad de procesamiento, el comportamiento durante su vida útil, la degradación, las caracteríscas de los materiales, el aspecto visual, y otras propiedades materiales de importancia.
Los ensayos se realizan de acuerdo con estándares internacionales, específicos de fabricantes OEM, propios de la empresa o hechos a medida, dentro los que se destacan los siguientes:
Resistencia tensional coeficiente tensional (por ejemplo, DIN EN ISO 527)
Resistencia a la flexión y coeficiente flexural (por ejemplo, DIN EN ISO 178)
Pruebas de impacto (por ejemplo, DIN EN ISO 179 (Charpy), ASTM D256, ASTM D4812, ISO 180 (Izod), PV3905)
Dureza (por ejemplo, ISO 868)
Resistencia a la compresión (por ejemplo, ASTM D695, ISO 604)
Inflamabilidad (por ejemplo, TL 1010)
Desgaste / Abrasión (por ejemplo, ASTM D1044, ASTM D3389, ASTM D4060)
Resistencia a los arañazos (por ejemplo, PV 3952)
Densidad (por ejemplo, ISO 1183, DIN 53479)
Índice de flujo de fusión / Velocidad de flujo de fusión (por ejemplo, ISO 1133)
CLTE (por ejemplo, ISO 11359, ASTM E228)
Vicat (por ejemplo, ISO 306, ASTM D1525)
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HDT (por ejemplo, ISO 78)
Temperatura de fusión (por ejemplo, ISO 11357, ISO 3146)
Permanencia del color (por ejemplo, PV 1303)
Calorimetría de rastreo diferencial (DSC) (por ejemplo, ISO 11357)
Análisis de mecánica dinámica (DMA) (por ejemplo, ASTM D5279)
La tabla 2.1 muestra otros ensayos que se realizan a los materiales para determinar su comportamiento y las propiedades físico-mecánicas.
Tabla 2.1: Ensayos utilizados en los materiales plásticos.
Nro. Ensayos Método de prueba
(ASTM) Unidades
1 Peso específico D 792-DIN 53479 g/cm3
2 Índice de fluidez del proceso (MFI) D 12838-DIN 53735 g/10 min
3 Módulo elástico a la tracción D 638-DIN 53457 MPa
4 Resistencia a la tracción * D 638-DIN 53455 MPa
5 Elongación a la rotura D 638-DIN53455 MPa
6 Módulo de flexión D 790 MPa
7 Resistencia a la flexión D 790 MPa
8 Resistencia al impacto IZOD (Con entalle
entre 0ºC - 23ºC) D 256-DIN 53453 J/M
9 Dureza Roswell (L) D 785 Unidades
10 Coeficiente lineal de expansión térmica DIN 53752 1/K
11 Conductividad térmica DIN 52612 W/(m*k)
12 Temperatura de distorsión térmica (H.D.T) DIN 53461 º Centígrado
13 Temperatura de reblandecimiento (VICAT)* DIN 53460 º Centígrado
14 Resistividad Volumétrica DIN53482 Ω*cm
15 Contracción de moldeo DIN 16901 %
*Se realizan también ensayos a la fluencia DIN 53455 y a la rotura.
Estos ensayos son los que los proveedores de las resinas muestran más frecuentemente o son los más usuales.
El diseñador en determinados casos hace un pedido al fabricante o al proveedor del material que se realicen los ensayos específicos relacionados con el campo de utilización
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de los materiales, por lo tanto para proponer un material a utilizar estará determinado por el campo de aplicación que será sometida la pieza.
El autor muestra algunos ejemplos de materiales, modelos o tipos según determinados campos de aplicación.
- Sector de envases y embalajes: materiales tipo polietileno de alta densidad (P. E.A.D)
- Polietileno de baja densidad (P. E. B. D) - Polipropileno (P.P)
Estos materiales son aptos para el contacto con los alimentos, se utilizan en el sector de la construcción y mecánica automotriz y son elementos resistentes a la fricción como por ejemplo el Polióxido de metileno (P.O.M) y la Poliamida (P.A) conocida comercialmente como Nylon.
Todos los ensayos tienen normas y procedimientos que son utilizados para la solicitud de los planes de producción.
El autor muestra la secuencia de procedimiento a seguir para la realización de los diferentes ensayos:
1. Diseñar el producto (Aplicación, muestras, y se le aplica ingeniería inversa) 2. Diseño del molde o de la herramienta especial
3. Pruebas de producción en máquinas (Producción tecnológica)
Tipos de ensayos
1. Mecánico 2. Térmicos 3. Dieléctricos
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4. Resistencia química* 5. De Procesos
*Pruebas de resistencia química a la gasolina Premium, al petróleo Diesel, grasas y lubricantes, anticongelantes y ácidos.
Características fundamentales de algunos ensayos.
- Resistencia a la tensión: Necesita una fuerza requerida para romper por tensión simple, no tiene significado relevante en la selección de un plástico para una aplicación específica debido a que generalmente el diseño que se realiza teniendo en cuenta la necesidad de evitar la distorsión, pero puede servir como una indicación preliminar de la fortaleza mecánica de un plástico.
- Módulo de tensión: Es una medida de la fuerza requerida para producir un cambio dado en la dimensión. Un módulo alto está asociado con la capacidad de mantener la forma bajo cargas momentáneas, sin embargo bajos cargas prolongadas se puede producir deformación en un plástico debido a fatigas, etc. (Fenómeno de CREEP o fluencia bajo carga).
- Resistencia a la compresión: Es una medida de la carga requerida para provocar la deformación por compresión y este parámetro se debe de tener presente en el diseño.
- Resistencia a la flexión: Es una medida de la carga requerida para provocar una flexión debido a que los artículos moldeados se deben diseñar para mantener su forma bajo la flexión, también es una medida a tomar en cuenta en el momento del diseño.
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- Resistencia al impacto: Es la energía que se requiere para romper una barra de prueba, este valor es una indicación de la resistencia al choque del material, un material no sensitivo que tiene baja resistencia al impacto.
- Dureza Roswell: Mediante esta medida se expresa la resistencia a la penetración por contacto rápido con una carga ligera y es una medida de dureza.
- Expansión lineal: Este parámetro representa una medida del cambio de dimensión con cambios de temperatura y puede ser importante en equipos graduados para medidas precisas o en plásticos ensamblados con otros materiales donde la diferencia de expansión puede ser importante.
- Deflexión por temperatura: Es la temperatura requerida para permitir una cantidad arbitraria de deflexión bajo una carga estándar (264 Psi o 66 Psi) en una prueba en la que el material está sometido a un incremento gradual de temperatura. Este es un índice de la influencia de la capacidad del material para retener su resistencia de altas temperaturas cuando se somete a una carga de este tipo, una diferencia notable entre la resistencia a 264 Psi y 66 Psi nos da una alerta en relación a la necesidad de poner especial atención en el diseño para minimizar la presión que se ejerce sobre artículos sometidos al calor.
- Resistividad volumétrica (Volume Resistivity): Es una medida de la resistencia eléctrica interna y es por tanto una prueba de la utilidad del material para servir como aislante.
- Fortaleza dieléctrica a corto tiempo y paso a paso. Es una medida del voltaje requerido para provocar picaduras y es por ende un indicativo del aislamiento
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requerido para resistir un voltaje dado. Hoy en día esta fortaleza es más bien medida por consideraciones mecánicas y no eléctricas.
- Constante dialéctica a 60,103y 106ciclos: es la razón de la capacitancia en el cual el material es el dieléctrico. Esta constante da una medida del posible uso del material como dieléctrico en un capacitor.
- Resistencia al arco: Es una medida de la utilidad para que el material se use bajo condiciones de formación de arco eléctrico.
- Factor de disipación a 60,103 y 106 ciclos: Es una medida del por ciento de energía eléctrica perdida como calor dentro de un material usado como dieléctrico. Un factor de disipación bajo, es convenientemente en aisladores eléctrico, debido a que se minimiza no solamente el gasto de energía sino también el efecto acumulativo e inmediato del calor sobre el material. Por otra parte un material de muy bajo factor de disipación no puede precalentarse por métodos de calentamiento de alta frecuencia.
2.4.- Propuesta de guía metodológica para la realización de los ensayos en los materiales plásticos
Como resultado de la revisión bibliográfica se puede afirmar que no existe una metodología única donde refleje de manera ordenada la secuencia de todos los pasos para determinar los diferentes ensayos en los materiales plásticos.
A continuación se presenta una metodología de identificación de materiales plásticos que se puede realizar con una pequeña inversión por lo que se hace necesario realizar varios ensayos y aunar la información obtenida en ellos. Los ensayos a realizar son los siguientes.
CAPÍTULO II: ENSAYOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES PLÁSTICOS 44 ________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Ensayo de combustión Ensayo de densidad Ensayo de flexibilidad Ensayo de dureza
Ensayo de solubilidad en acetona
1. Ensayo de combustión
Objetivos
Observar el comportamiento de diferentes plásticos frente a la combustión y compararlo con los datos suministrados en la tabla 2.2
Material necesario por grupo:
Probetas de diferentes plásticos.
Mechero
Papel PH
Pinzas Pasos a seguir:
1.-.Leer atentamente los fenómenos que debes observar
a) La cantidad y color del humo que produce, la observación se realizará mientras el plástico arda. El color puede variar desde blancuzco hasta negro y la cantidad de humo desde casi inapreciable hasta una gran cantidad.
b) Color de la llama, varía entre azulado, amarillo-anaranjado y verdoso.
c). Combustibilidad se observa si la llama se extingue cuando se retira el mechero, si arde con dificultad, si chiporrotea o es una llama intensa.
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d) Tipo de fusión, se debe observar si el plástico se funde fácilmente y gotea, si se descompone y si se toma consistencia de goma o si se carboniza. (Se debe mantener la llama durante 8 ó 10 segundos).
e) PH de los gases, Se humedece el papel pH en agua destilada y se expone al humo justo después de apagar la llama. Después se comparan los colores resultantes con los de la tabla 2.3.
f) Olor de la combustión: Este es un ensayo muy subjetivo pero intentaremos clasificar el olor en: picante e irritante, a cuerno quemado, a vela, a gas natural
2.- Sujetar una probeta por un extremo y exponer el otro a la llama durante unos segundos.
3.- Anotar los resultados en la tabla 2.2
4.- Comparar los datos obtenidos con los proporcionados en la tabla 2.3 y llegar a una conclusión acerca del plástico en cuestión.
Precauciones:
El humo de la combustión puede resultar tóxico, por lo que la habitación debe estar bien aireada y el humo no se puede oler directamente sino aireándolo antes de que llegue a la nariz.
La probeta no se debe apagar soplando ni agitarla, introducirla en un recipiente con agua.
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Tabla 2.2: Toma de datos del ensayo de combustión
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2. Ensayo de Densidad
Objetivos
Calcular la densidad de un plástico y estimar la misma, mediante su comportamiento a flotación
Material necesario por grupo:
Probetas de diferentes plásticos.
Recipiente con agua
Sal
Pie de rey
Regla graduada
Calculadora
Balanza (común a todos los grupos) Pasos a seguir:
1.- Marcar las probetas de forma visible
2.- Introducirlas en el recipiente con agua y anotar las que flotan.
3.- Retirar las probetas, añadir sal al recipiente y repetir la operación anterior. 4.- Medir las probetas y calcular su volumen.
5.- Pesar las probetas y obtener su masa.
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Tabla 2.4: Toma de datos del ensayo de densidad
Tabla 2.5: Resultados teóricos del ensayo de densidad.
3. Ensayo de Flexibilidad
Objetivos
Clasificar las probetas en función de su respuesta al esfuerzo de flexión. Material necesario por grupo:
Probetas de diferentes plásticos.
Pasos a seguir:
1.- Marcar las probetas de forma visible
2.- FLEXIÓN: Doblar las muestras uniendo sus extremos y utilizando únicamente dos dedos. Anotar en la tabla 2.6 el nivel de esfuerzo empleado y si la probeta ha quedado deformada una vez que ha cesado el esfuerzo.
3.- FLEXIÓN Y DOBLADURA:Tomar las probetas del punto anterior y doblarlas por el punto medio. Una vez que haya cesado el esfuerzo, observar el ángulo formado por los extremos de la probeta y anotarlo en la tabla 2.6
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4.- ROTURA: Doblar las probetas repetidas veces hacia el mismo sitio hasta conseguir su rotura, anotar el número de dobleces necesarias para ello. Observar, también, la deformación originada en la zona de la dobladura.
Tabla 2.6: Toma de datos del ensayo de flexibilidad
4. Ensayo de Dureza
Objetivos
Clasificar los distintos materiales plásticos en un orden de dureza comparativo entre ellos. Mencionar que los resultados obtenidos no nos proporcionarán valores de dureza ya que se carece de los medios técnicos necesarios, máquina de ensayo de dureza ó
durómetro.
Material necesario por grupo:
Probetas de diferentes plásticos.
Un destornillador plano. Pasos a seguir:
1.- Marcar las probetas de forma clara y visible
2.- Rayar todas las probetas con la uña, ordenarlas en función de la deformación permanente y anotarlo en la tabla 2.7.
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3.-Rayar todas las probetas con la punta del destornillador, ordenarlas en función de la profundidad de la huella. Los materiales más duros pueden que chirríen al ser rayado o que produzcan una fina viruta.
4.- Rayar todas las probetas, establecer un grupo de similitud entre los que no se rayen o los que el rayado sea muy fino.
Tabla 2.7: Toma de datos del ensayo de dureza
5. Ensayo de Solubilidad en Acetona
Objetivos
Clasificar los distintos materiales plásticos en función de su comportamiento frente a la acetona (ensayo químico). Reconocer las distintas señales de precaución que figuran en