Efectos a largo plazo de la temperatura - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

Los efectos a largo plazo de la temperatura elevada sobre las propiedades de los plásticos son extremadamente importantes, especialmente cuando se considera que la mayoría de las aplicaciones que involucran altas temperaturas son aplicaciones a largo plazo. Durante la exposición prolongada al calor, los materiales plásticos pueden experimentar muchos cambios físicos y químicos. Un material plástico que muestra poco o ningún efecto a temperatura elevada durante un corto tiempo puede mostrar una reducción drástica de las propiedades físicas, una pérdida completa de rigidez y una degradación térmica severa cuando se expone a temperatura elevada durante un tiempo prolongado. Junto con el tiempo y la temperatura, muchos otros factores como el ozono, el oxígeno, la luz solar y la contaminación se combinan para acelerar el ataque a los plásticos. A temperaturas elevadas, muchos plásticos tienden a perder aditivos importantes como plastificantes y estabilizadores, lo que hace que los plásticos se vuelvan quebradizos o blandos y pegajosos. La industria del plástico ha desarrollado y aceptado tres pruebas básicas. Si la aplicación no requiere que el producto esté expuesto a temperaturas elevadas durante un período prolongado bajo carga continua, una simple prueba de resistencia al calor es adecuada. Las aplicaciones que requieren que el producto esté sometido a una carga significativa continua deben analizarse a partir del módulo de fluencia y los datos de las pruebas de resistencia a la rotura por fluencia. Underwriters Laboratories ha desarrollado otro método ampliamente aceptado para medir la temperatura máxima de uso continuo. El índice de temperatura UL, establecido para una variedad de materiales plásticos que se utilizarán en aplicaciones eléctricas, es la temperatura máxima a la que puede estar sujeto el material sin temor a una degradación térmica prematura.

La prueba de resistencia al calor a largo plazo se desarrolló para determinar el efecto permanente del calor en cualquier propiedad mediante la selección de un método de prueba y una muestra apropiados. En la práctica recomendada por ASTM, solo se especifica el procedimiento para la exposición al calor y no el método de prueba o la muestra. Se puede usar cualquier muestra, incluyendo hoja, laminado, barra de prueba o pieza moldeada. Si se va a determinar una propiedad específica, como la pérdida de resistencia a la tracción, se deben usar una muestra de barra de prueba de tracción estándar y procedimientos para comparar los resultados de la prueba antes y después de la prueba. La prueba requiere el uso de un horno de convección mecánico con una rejilla para muestras de diseño adecuado para permitir la circulación de aire alrededor de las muestras. La prueba se lleva a cabo simplemente colocando la muestra en el horno a una temperatura de exposición deseada durante un período de tiempo predeterminado. La exposición posterior a temperaturas puede aumentarse o disminuirse en pasos de 25°C hasta que se observe una falla. La falla debido al calor se define como un cambio en la apariencia, el peso, la dimensión u otras propiedades que alteran el material plástico en un grado que ya no es aceptable para el servicio en cuestión. La falla puede resultar de la formación de ampollas, grietas, pérdida de plastificante u otro material volátil que puede causar fragilización, contracción o cambios en las propiedades eléctricas o mecánicas deseables. Muchos factores afectan la reproducibilidad de los datos. El grado de control de temperatura en el horno, el tipo de moldeado, curado, velocidad del aire sobre la muestra, período de exposición y humedad del cuarto del horno son algunos de estos factores. La cantidad y el tipo de volátiles en la pieza moldeada o el espécimen también pueden afectar la reproducibilidad.

El mayor uso de materiales plásticos en aplicaciones eléctricas tales como electrodomésticos, herramientas y equipos portátiles operados eléctricamente y envolventes ha creado un interés renovado en la capacidad de los plásticos para resistir el abuso mecánico y las altas temperaturas. Se pueden producir lesiones personales graves, descargas eléctricas o incendios si el producto no realiza la función para la que fue diseñada. Underwriters Laboratories, una organización independiente sin fines de lucro preocupada por la seguridad del consumidor, ha desarrollado un índice de temperatura para ayudar a los ingenieros de UL a juzgar la aceptabilidad de los plásticos individuales en aplicaciones específicas que implican una exposición prolongada a temperaturas elevadas. El índice de temperatura UL se correlaciona numéricamente con la clasificación de temperatura o la temperatura máxima en grados Celsius por encima de la cual un material puede degradarse prematuramente y, por lo tanto, ser inseguro.

El índice térmico relativo de un material polimérico es una indicación de la capacidad del material para retener una propiedad particular (física, eléctrica, etc.) cuando se expone a temperaturas elevadas durante un período de tiempo prolongado. Es una medida de la resistencia térmica del material. Para cada material, se pueden establecer una serie de índices térmicos relativos, cada índice relacionado con un espesor específico del material. El índice relativo de un material se determina comparando las características de envejecimiento térmico de un material de servicio de campo probado a un nivel de temperatura particular con las de otro material sin historial de servicio de campo. Se presta mucha atención a las propiedades que se evalúan para determinar el índice térmico relativo. Para que el índice térmico relativo sea válido, las propiedades que se enfatizan en el producto final deben incluirse en el programa de envejecimiento térmico. Si, por alguna razón, la propiedad específica bajo tensión en el producto final no es parte del programa de envejecimiento a largo plazo, el índice térmico relativo puede no ser aplicable al uso del material en esa aplicación en particular. Índice térmico relativo basado en registros históricos. A través de la experiencia obtenida al probar un gran volumen de productos completos y sistemas de aislamiento durante un largo período, UL ha establecido índices térmicos relativos en ciertos tipos de plásticos. Estos índices de temperatura fundamentales son aplicables a cada miembro de una clase de material genérico. Índice térmico relativo basado en el envejecimiento térmico a largo plazo. El programa de envejecimiento térmico a largo plazo consiste en exponer los materiales poliméricos a batir durante un período de tiempo predeterminado y observar el efecto de la degradación térmica. Para realizar la prueba, se prefiere un horno de convección mecánico calentado eléctricamente; sin embargo, con algunas disposiciones, se puede emplear un horno estático sin circulación. Las propiedades específicas que se evaluarán en el programa de envejecimiento térmico deben ser lo más representativas posible de las propiedades requeridas en la aplicación final. Las propiedades mecánicas más comunes incluyen resistencia a la tracción, resistencia a la flexión y resistencia al impacto Izod. Las propiedades eléctricas de interés son la rigidez dieléctrica, la resistividad superficial o volumétrica, la resistencia al arco y el seguimiento del arco. Las muestras de prueba son barras de prueba estándar ASTM, según el tipo de prueba. La publicación de UL “Materiales poliméricos - Evaluaciones de propiedades a corto plazo, UL 746A”, describe la muestra y los procedimientos de prueba para determinar las propiedades mecánicas y eléctricas. Para determinar el índice térmico relativo, se selecciona un material de control con un historial de buen servicio de campo a su temperatura nominal. Se prefiere el material de control del mismo tipo genérico y algo de espesor que el material candidato. Se seleccionan al menos cuatro temperaturas de horno diferentes. La temperatura más alta se selecciona de modo que no se necesiten más de dos meses para producir el final de la vida útil del material. Las siguientes dos temperaturas más bajas deben producir el final de la vida útil anticipado de 3 y 6 meses, respectivamente. La temperatura más baja seleccionada tomará de 9 a 12 meses para obtener los resultados previstos. El final de la vida útil de un material se basa en la suposición de que existe al menos un factor de seguridad de 2: 1 en los requisitos de propiedad física y eléctrica aplicables. El final de la vida útil de un material es el tiempo en cada temperatura de envejecimiento, cuando el valor de una propiedad ha disminuido en un 50 por ciento de su nivel no envejecido. No se espera que una pérdida del 50 por ciento de la propiedad debido a la degradación térmica resulte en una falla prematura e insegura. Se investigaron las propiedades de resistencia al impacto, resistencia a la tracción y resistencia dieléctrica. A cada temperatura, la primera propiedad que muestra una reducción del 50 por ciento del valor de la propiedad no envejecida y, por lo tanto, falla, es la resistencia al impacto. El tiempo de falla a cada temperatura para la resistencia al impacto se usa para construir una curva de Arrhenius B. La curva A representa un gráfico de un material de control que tiene un índice térmico relativo de 100°C. Este material de control muestra un factor de correlación de 60.000 h en este ejemplo. La gráfica de tiempo-temperatura del material en investigación cruza la línea de 60,000 horas a una temperatura de 140°C. Por lo tanto, se puede esperar que sea seguro usarlo a 140°C de la misma manera que el material conocido es útil a 100°C. Un índice térmico relativo de 140°C en este ejemplo es aplicable a todas las aplicaciones que involucran todas las propiedades investigadas, incluida la resistencia al impacto. En aplicaciones donde la resistencia al impacto no es una propiedad crítica, se puede asignar un índice térmico relativo más alto.