Elección de plásticos - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

Este pagina explora las influencias que conducen al uso de plásticos particulares en aplicaciones particulares. La primera sección identifica las características que son decisivas en las aplicaciones de la industria del motor, la segunda resume las fortalezas y debilidades de los diferentes grupos de polímeros, la tercera ofrece sugerencias para un procedimiento de selección de materiales y la cuarta analiza los requisitos de las diferentes áreas de aplicación. Las propiedades decisivas Introducción El proceso de selección entre diferentes plásticos puede ser bastante desconcertante. Los fabricantes disponen de abundante información sobre los materiales, pero tradicionalmente esto tiende a minimizar cualquier referencia a los defectos y a omitir cualquier comparación significativa con plásticos alternativos. Hoy en día existe una proliferación de bases de datos, que ofrecen la posibilidad de realizar una selección computarizada de una lista impresionante de materiales. Se han recopilado datos sobre una amplia gama de propiedades, a menudo con una presentación imparcial y métodos y unidades de prueba uniformes. Con un banco de datos tan grande ahora disponible, el problema con frecuencia se reduce a decidir cuál de las abundantes propiedades realmente importa para el componente en cuestión. Resistencia a la temperatura (a corto plazo) El indicador común del límite superior de temperatura a corto plazo para un material plástico es la temperatura de distorsión por calor (HDT). Medido a dos cargas arbitrarias, es una buena guía práctica sobre la idoneidad de los materiales para los componentes que trabajan bajo carga, aunque no tiene un significado fundamental. Una característica más fundamental es la temperatura de transición vítrea (Tg), que es la temperatura a la que se produce un aflojamiento significativo de la estructura interna y se hace posible el movimiento molecular. Por encima de la Tg, los plásticos amorfos se ablandan y ya no tienen capacidad de carga; Los plásticos cristalinos experimentan una reducción drástica en el módulo, pero conservan su estabilidad de forma, hasta el punto de fusión cristalino (Tm). El refuerzo de fibra puede permitir el uso de plásticos cristalinos en aplicaciones de soporte de carga muy por encima de su Tg, cerca de su Tm. Los componentes de nailon y polipropileno reforzados con vidrio en el compartimento del motor operan con frecuencia en esta zona entre Tg y Tm. En algún punto por encima de sus puntos de ablandamiento y fusión, los termoplásticos comienzan a degradarse y eventualmente se descompondrán. Los termoestables son diferentes en dos aspectos. La exposición a altas temperaturas puede aumentar el curado, lo que conduce a una mayor reticulación, que tiene el efecto de elevar tanto la HDT como la Tg. La descomposición ocurre a temperaturas más altas, tomando la forma de carbonización sin derretirse. Con algunos termoestables, incluso la exposición a temperaturas de alrededor de 100°C todavía deja un residuo carbonizado voluminoso (lo que explica el uso de termoendurecibles como escudos térmicos en los viajes espaciales). No son solo las propiedades mecánicas de los plásticos las que son sensibles a la temperatura. la temperatura afecta negativamente; especialmente relevantes para la industria del motor son la resistencia química, las propiedades eléctricas y la estabilidad dimensional. Estabilidad de temperatura a largo plazo El problema con respecto a la estabilidad de temperatura a largo plazo es el envejecimiento térmico. Plásticos cuando se exponen al calor en el aire (o otros medios oxidantes) sufren un deterioro progresivo por fragilización de la superficie. El efecto es acumulativo y (a diferencia de los efectos de la temperatura a corto plazo) irreversible. Debido a que la oxidación procede hacia el interior de la superficie, las secciones delgadas son más susceptibles que las gruesas.

A menudo, en el mundo real, la mejor solución a un problema de diseño implicará que los plásticos coexistan con los metales. El conocimiento de los problemas de dicha convivencia puede ser vital para el diseño de componentes para subconjuntos:

Expansión diferencial. Ignorar esto puede tener graves consecuencias. Una solución, cuando otras necesidades lo permiten, es utilizar termoestables no reforzados, con una expansión extremadamente baja. Los primeros intentos en los EE. UU. De utilizar nailon reforzado con vidrio para cubiertas de balancines destacaron los problemas: el compuesto no solo se expandió más que el metal, sino que su expansión aumentó con la temperatura y, además, varió a lo largo de la moldura, siendo diferente alrededor del perno moldeado agujeros, donde la orientación de la fibra era diferente. Inevitablemente, se produjeron fugas de aceite entre los pernos. Se han diseñado exitosas tapas de balancines, utilizando composites de menor expansión basados ​​en poliéster insaturado (como DMC o SMC) y en nailon semiaromático. Sin embargo, el factor individual más importante es el rediseño de las juntas para hacer frente a la expansión diferencial. El éxito del tanque del radiador de nailon reforzado con vidrio también se debe en gran medida a la junta de caucho sintético de generosas proporciones que une el radiador de aluminio con la cubierta compuesta y absorbe los cambios dimensionales.

Anisotropía. Aparte del nuevo diseño y materiales de la junta, el aspecto importante es eliminar la tendencia a la distorsión. Esto se puede hacer haciendo la forma lo más simétrica posible, minimizando así la orientación, o (en molduras con una relación de aspecto alta) induciendo deliberadamente una orientación alta pero uniforme mediante una compuerta en un extremo. El objetivo debe ser evitar una situación en la que la orientación pueda variar con las condiciones de procesamiento.

Inserciones metálicas. Este es un buen medio para superar algunas de las deficiencias de los plásticos. Los insertos de metal son útiles de muchas maneras:

(1) para reducir la expansión térmica general de un componente

(2) para aumentar la rigidez

(3) para facilitar el ensamblaje repetido

(4) para aumentar la fuerza de extracción del autorroscante tornillos

(5) para proporcionar puntos de fijación para subconjuntos

(6) en aplicaciones de cojinetes para proporcionar valores de PV más altos y una operación de temperatura más alta

El uso de robots para ubicar insertos en el molde o la prensa ha hecho que la operación sea mucho más rápida y confiable. Los insertos se utilizan ahora ampliamente en el procesamiento de SMC, GMT, moldeo por soplado y rotatorio, así como en moldeo por inyección. Partes móviles. Hay muchos sistemas de engranajes y cojinetes en los que una combinación de piezas de metal y plástico da como resultado un mejor ensamblaje del que cualquiera de ellos podría lograr por sí solo. Los principales beneficios de los plásticos son un mantenimiento reducido, un funcionamiento más silencioso y (en sistemas de baja carga como limpiaparabrisas y velocímetros) una vida más larga. Los engranajes de plástico para la caja de cambios automotriz pueden ser poco probables, pero los beneficios de usar nailon reforzado y PES para las jaulas de los rodamientos son ampliamente reconocidos. Ahora se encuentran disponibles algunos materiales de cojinetes de plástico compuestos muy sofisticados, que utilizan lubricantes internos y de migración de superficie en matrices resistentes reforzadas con fibras; estos a menudo superan en rendimiento a las composiciones de cojinetes de metal más caras.

La eficacia de los plásticos y los compuestos a menudo depende de manera crítica de la tecnología de unión. En la industria automotriz, la pregunta clave no es solo si la junta es consistente, sino si hacerla es compatible con una operación de ensamblaje de alta velocidad. Siempre se debe buscar el asesoramiento de especialistas en esta área, porque la tecnología está cambiando rápidamente y puede ser necesario hacer comparaciones entre sistemas bastante diferentes. La principal fuente de información es The Welding Institute (Abington, Cambridge, Reino Unido), que tiene experiencia en adhesivos y técnicas de soldadura. El rendimiento de los adhesivos altamente sofisticados de hoy en día puede ser muy específico, no solo en términos de los materiales que se unirán, sino también en relación con el diseño de una junta y los requisitos previstos. Los diseñadores deben ser conscientes de los problemas y las oportunidades que se presentan al unir plásticos. Los puntos peculiares de los plásticos se resumen aquí: En este capítulo se han destacado los problemas potenciales del uso de plásticos. Los más comunes son el resultado de la fluencia y la relajación, y la expansión térmica diferencial entre diferentes materiales.