Pruebas Termicas
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Propiedades térmicas y sus pruebas
El conocimiento de las propiedades termodinámicas de los plásticos y, especialmente, de su dependencia de la temperatura, es importante para la economía de la producción y para la calidad y el funcionamiento de los productos. Los datos relevantes incluyen calor específico, entalpía específica, conductividad térmica, difusividad térmica, volumen específico, compresibilidad y coeficientes de volumen térmico y expansión lineal. Con esta información, el procesador y el usuario pueden calcular los calores necesarios para el procesamiento, las temperaturas de mezcla, los cambios de volumen al enfriarse, las contracciones durante y después del procesamiento y los cambios dimensionales relacionados con la temperatura en productos semiacabados y molduras. Además, varias de estas cantidades deben conocerse si se quieren comprender las reacciones y los cambios internos que tienen lugar en los plásticos.
Pruebas termicás
La movilidad de una cadena de polímero determina las características físicas del producto, ya sea un plástico duro y frágil, gomoso y tenaz, o un fluido viscoso. La movilidad es una función de la agitación de los átomos en las moléculas, que es directamente proporcional a la temperatura. Por tanto, el conocimiento de las características fisicoquímicas inherentes a un polímero es fundamental para comprender su comportamiento termomecánico: normalmente, el polímero se procesa a altas temperaturas cuando tiene el comportamiento de un fluido viscoso, y se utiliza en aplicaciones prácticas con una característica flexible o rígida. . Tal variabilidad en el comportamiento es una característica que se utiliza sabiamente en la industria para seleccionar el mejor material para una aplicación determinada.Propiedades térmicas
Las propiedades térmicas de los materiales termoplásticos son tan importantes como las propiedades eléctricas y mecánicas. A diferencia de los metales, los termoplásticos son extremadamente sensibles a los cambios de temperatura. Las propiedades mecánicas, eléctricas y químicas de los termoplásticos dependen de las propiedades térmicas a las que se derivaron los valores. La cristalinidad de la cadena molecular tiene varios efectos importantes sobre las propiedades térmicas de un polímero. Los termoplásticos semicristalinos tienen un punto de fusión bien definido con propiedades de rigidez termomecánica. Los termoplásticos amorfos, por el contrario, tienen un rango de ablandamiento gradual del polímero fundido. El comportamiento térmico de los materiales poliméricos afectados por amplios rangos de temperatura diferencial es un tema técnico bastante complejo. La orientación molecular también tiene un efecto significativo sobre las propiedades térmicas de los termoplásticos. La orientación del flujo de la masa fundida tiende a disminuir la estabilidad dimensional a temperaturas más altas. El peso molecular de los polímeros también afecta la flexibilidad a baja temperatura y la resistencia al impacto o fragilidad. La reticulación del enlace intermolecular y la reacción química de copolimerización también tienen un efecto considerable sobre las propiedades térmicas de los materiales termoplásticos. Los polímeros se utilizan en una amplia gama de temperaturas y los efectos de la temperatura y el impacto de los tipos de cargas durante un tiempo de servicio prolongado en las propiedades de expansión física, eléctrica y térmica deben establecerse antes de que un material termoplástico pueda usarse para una aplicación de producto en particular. La naturaleza de las características de viscoelasticidad del material termoplástico es tal que la temperatura es de fundamental importancia. En los materiales termoplásticos, los enlaces primarios son enlaces covalentes fuertes a lo largo de las cadenas moleculares. Al estudiar el rendimiento de los plásticos a temperaturas elevadas, una de las consideraciones más importantes es la dependencia de propiedades clave como el módulo, la fuerza, la resistencia química y la resistencia ambiental en el tiempo. Por lo tanto, los datos de resistencia al calor a corto plazo por sí solos no son adecuados para diseñar y seleccionar materiales que requieren resistencia al calor a largo plazo. Por conveniencia y simplicidad, dividimos los efectos de la temperatura elevada en dos categorías:
Efectos a corto plazo para
- Temperatura de deflexión térmica
- Temperaturas de ablandamiento Vicat
- Péndulo de torsión
Efectos a largo plazo para
- Prueba de resistencia al calor a largo plazo
- Índice de temperatura UL
- Ensayos de módulo de fluencia / ruptura por fluencia
El análisis térmico proporciona una poderosa herramienta para investigadores e ingenieros para determinar propiedades de comportamiento desconocidas y reproducibles de moléculas de polímero. Las propiedades térmicas de los plásticos de ingeniería varian con respecto a la composición química, configuración de la cadena, conformación de los polímeros base, procesamiento de los polímeros base con o sin aditivos; y la respuesta a tensiones químicas, físicas y mecánicas de los polímeros base como artículos moldeados sin relleno o como componentes de estructuras compuestas. También, las propiedades térmicas, describe técnicas de análisis térmico, incluida la calorimetría diferencial de barrido, el análisis termogravimétrico, el análisis termomecánico y el análisis reológico. Las propiedades térmicas básicas utilizadas en la aplicación de plásticos de ingeniería, son como tales la conductividad térmica, la resistencia a la temperatura, la expansión térmica, el calor específico y la determinación de las temperaturas de transición vítrea. Las propiedades térmicas son divididos en tres grupos por capacidades de temperatura de servicio baja, media y alta. En la región amorfa del polímero, a una temperatura más baja, las moléculas del polímero están, por ejemplo, en estado congelado, donde las moléculas pueden vibrar ligeramente pero no pueden moverse significativamente. Este estado se conoce como estado vidrioso. En este estado, el polímero es quebradizo, duro y rígido análogo al vidrio. De ahí el nombre de estado vidrioso. El estado vítreo es similar a un líquido sobreenfriado donde el movimiento molecular está en estado congelado. El estado vítreo muestra una naturaleza dura, rígida y frágil análoga a un sólido cristalino con desorden molecular como líquido. Ahora, cuando el polímero se calienta, las cadenas de polímero pueden moverse entre sí y el polímero se vuelve suave y flexible, similar al caucho. Este estado se llama estado gomoso. La temperatura a la que el estado vítreo hace una transición al estado gomoso se denomina temperatura de transición vítrea Tg. Tenga en cuenta que la transición vítrea se produce solo en la región amorfa y la región cristalina no se ve afectada durante la transición vítrea en el polímero semicristalino.
Propiedades térmicas de baja temperatura
Las mediciones y teorías existentes de las propiedades térmicas de baja temperatura, la capacidad calorífica y la conductividad térmica de los polímeros se revisan con especial atención a las diferencias entre polímeros parcialmente cristalinos y amorfos. La característica más llamativa de la capacidad calorífica a baja temperatura de los polímeros es que en el rango de temperatura del helio líquido la capacidad calorífica no depende del cubo de la temperatura como para otros sólidos. Además, solo muy por debajo de 1°K la capacidad calorífica se aproxima al valor predicho sobre la base de la velocidad del sonido. Este comportamiento indica la presencia de un pequeño número de modos de vibración de baja frecuencia en el espectro de frecuencias. El hecho de que semejante comportamiento anómalo parezca relacionado linealmente con la cristalinidad implica que este comportamiento está asociado con la estructura amorfa, quizás con movimientos de grupos colgantes dentro de las cavidades formadas en la estructura amorfa. La conductividad térmica de los polímeros semicristalinos y amorfos difiere considerablemente. Los polímeros semicristalinos muestran una dependencia de la temperatura de la conductividad térmica similar a la obtenida de cristales altamente imperfectos, teniendo la conductividad térmica un máximo en el rango de temperatura cercano a 100°K que se mueve a temperaturas más bajas y conductividades térmicas más altas a medida que aumenta la cristalinidad. Los polímeros amorfos muestran una dependencia de la temperatura similar a la obtenida para vidrios sin máximo pero con una significativa región de meseta en el rango entre 5 y 15°K. Se considera la interpretación teórica de la conductividad térmica de estos materiales. La conductividad térmica de los polímeros semicristalinos y amorfos difiere considerablemente. Los polímeros semicristalinos muestran una dependencia de la temperatura de la conductividad térmica similar a la obtenida de cristales altamente imperfectos, teniendo la conductividad térmica un máximo en el rango de temperatura cercano a 100°K que se mueve a temperaturas más bajas y conductividades térmicas más altas a medida que aumenta la cristalinidad. Los polímeros amorfos muestran una dependencia de la temperatura similar a la obtenida para vidrios sin máximo pero con una significativa región de meseta en el rango entre 5 y 15°K. Se considera la interpretación teórica de la conductividad térmica de estos materiales. La conductividad térmica de los polímeros semicristalinos y amorfos difiere considerablemente. Los polímeros semicristalinos muestran una dependencia de la temperatura de la conductividad térmica similar a la obtenida de cristales altamente imperfectos, teniendo la conductividad térmica un máximo en el rango de temperatura cercano a 100°K que se mueve a temperaturas más bajas y conductividades térmicas más altas a medida que aumenta la cristalinidad. Los polímeros amorfos muestran una dependencia de la temperatura similar a la obtenida para vidrios sin máximo pero con una significativa región de meseta en el rango entre 5 y 15°K. Se considera la interpretación teórica de la conductividad térmica de estos materiales. Los polímeros semicristalinos muestran una dependencia de la temperatura de la conductividad térmica similar a la obtenida de cristales altamente imperfectos, teniendo la conductividad térmica un máximo en el rango de temperatura cercano a 100°K que se mueve a temperaturas más bajas y conductividades térmicas más altas a medida que aumenta la cristalinidad. Los polímeros amorfos muestran una dependencia de la temperatura similar a la obtenida para vidrios sin máximo pero con una significativa región de meseta en el rango entre 5 y 15°K. Se considera la interpretación teórica de la conductividad térmica de estos materiales. Los polímeros semicristalinos muestran una dependencia de la temperatura de la conductividad térmica similar a la obtenida de cristales altamente imperfectos, teniendo la conductividad térmica un máximo en el rango de temperatura cercano a 100°K que se mueve a temperaturas más bajas y conductividades térmicas más altas a medida que aumenta la cristalinidad. Los polímeros amorfos muestran una dependencia de la temperatura similar a la obtenida para vidrios sin máximo pero con una significativa región de meseta en el rango entre 5 y 15°K. Se considera la interpretación teórica de la conductividad térmica de estos materiales. Los polímeros amorfos muestran una dependencia de la temperatura similar a la obtenida para vidrios sin máximo pero con una significativa región de meseta en el rango entre 5 y 15°K. Se considera la interpretación teórica de la conductividad térmica de estos materiales. Los polímeros amorfos muestran una dependencia de la temperatura similar a la obtenida para vidrios sin máximo pero con una significativa región de meseta en el rango entre 5 y 15 ° K. Se considera la interpretación teórica de la conductividad térmica de estos materiales.
El procesamiento por fusión de termoplásticos implica primero calentar el material hasta un punto en el que se puede hacer fluir y luego enfriarlo nuevamente a una temperatura a la que el objeto formado es estable. Este requisito constituye una importante demanda de energía en el proceso de conformado y es fundamental para la eficiencia y economía del proceso. Es una percepción común que los termoplásticos son difíciles de calentar e incluso más difíciles de enfriar, y esto es particularmente cierto en el caso de los elastómeros termoplásticos. La percepción es sólida, y un estudio de las características térmicas muestra por qué es así. La energía térmica o el contenido de calor de un sistema es función de la masa de un material, su calor específico y el cambio de temperatura. La cantidad a menudo se denomina entalpía. La energía térmica para fundir un termoplástico es por tanto proporcional a la diferencia entre su temperatura de fusión y la temperatura ambiente. Teóricamente, la energía térmica a eliminar en el enfriamiento, en el caso de una moldura, es la diferencia entre la temperatura de fusión y la temperatura del molde. En la práctica, el componente normalmente puede ser expulsado a una temperatura más alta, y solo una región cercana a la superficie necesita estar a esta temperatura, por lo que el calor a extraer es considerablemente menor. La energía térmica involucrada en el calentamiento y enfriamiento varía considerablemente de un polímero a otro. Una consideración adicional es la diferencia fundamental entre los plásticos amorfos y semicristalinos. Para materiales semicristalinos, el requerimiento de calor para fundir incluye una cantidad adicional para fundir la estructura cristalina. Esto se conoce como calor latente de fusión de la estructura cristalina. Por ejemplo, el polipropileno tiene un calor de fusión de 670 J/g o 570 kJ/kg y es más del doble que el del poliestireno y considerablemente mayor que el requerimiento de energía para materiales con temperaturas de fusión mucho más altas, como el policarbonato, PPO y PES. El requisito de refrigeración para PP y HDPE es aún más exigente. Estas características térmicas influyen directamente en el procesamiento. Significan, por ejemplo, que el enfriamiento de un molde de polipropileno debe ser mucho más eficiente que el de la mayoría de los demás plásticos. La necesidad a menudo se pasa por alto y es responsable de la dificultad que comúnmente se experimenta al sobrecalentar núcleos y pines. El calor específico y la conductividad térmica de los plásticos varían mucho con la temperatura. De hecho, también lo hace la densidad. Estas variaciones no aparecen en las hojas de datos que tratan solo de las propiedades de los sólidos y no son muy apreciadas por los procesadores de plásticos. Todavía es difícil obtener información sobre las propiedades térmicas de los plásticos en estado fundido, aunque esto es importante para los cálculos del proceso de plásticos. Un gráfico de entalpía frente a la temperatura muestra el alcance de la variación y también diferencia claramente entre materiales amorfos y semicristalinos. La curva de entalpía de los polímeros semicristalinos muestra una discontinuidad distinta o "codo". El rápido aumento de la entalpía en este punto corresponde al calor latente de la fusión cristalina. La curva de un material amorfo no muestra tal discontinuidad. Las curvas de entalpía dan una lectura directa de la energía térmica aproximada que se agregará o eliminará al calentar o enfriar un material plástico y merecen una distribución más amplia. En realidad, los valores de densidad, calor específico y conductividad térmica son variables relacionadas con la temperatura. El calor latente de fusión cristalina es cero para los polímeros amorfos porque el fenómeno está ausente. La temperatura de congelación es el punto en el que el material se vuelve sólido. La temperatura sin flujo no es una propiedad fundamental. Más bien, es un concepto útil que se ha introducido en los cálculos de flujo para compensar las deficiencias en los modelos de viscosidad a bajas temperaturas cercanas a la solidificación. Efectivamente, es la temperatura a la que se mantiene infinita la viscosidad de un polímero no completamente congelado. Los refuerzos y los rellenos tienden a reducir el calor específico y la entalpía del polipropileno, pero el efecto no es muy grande. Si no se dispone de cifras para los grados reforzados, sería razonable utilizar datos para los grados base, lo que proporcionaría un pequeño factor de seguridad.
Análisis térmico
Debido a que se espera que los materiales poliméricos funcionen bajo una variedad de condiciones de temperatura, las propiedades térmicas son importantes. Las investigaciones de propiedades térmicas también pueden permitir un mejor diseño de materiales que cumplan con los requisitos térmicos y también pueden proporcionar datos estructurales adicionales. La instrumentación principal involucrada con la generación de comportamiento de propiedades térmicas de materiales incluye análisis termogravimétrico (TG, TGA), DSC, análisis térmico diferencial (DTA), análisis de trenzado torsional (TBA), análisis termomecánico (TMA), espectrometría termogravimétrica de masas (TG-MS) análisis y cromatografía de gases de pirólisis (PGC). La mayoría de estas técnicas de análisis miden la respuesta del polímero en función del tiempo, la atmósfera y la temperatura. Una de las técnicas más sencillas es la PGC en la que los gases resultantes de la pirólisis de un polímero se analizan mediante cromatografía de gases. Esta técnica se puede utilizar para análisis cualitativos y cuantitativos. Este último requiere calibración con cantidades conocidas de un polímero estándar pirolizado en las mismas condiciones que el desconocido. Hay varios modos diferentes de análisis térmico descritos como DSC. La DSC es una técnica de calorimetría de desequilibrio en la que el flujo de calor dentro o fuera del polímero se mide en función de la temperatura, la atmósfera y el tiempo. Esto difiere del DTA donde se mide la diferencia de temperatura entre una referencia y una muestra. Aun así, la distinción no siempre es clara. El equipo DSC mide el flujo de calor manteniendo un equilibrio térmico entre la referencia y la muestra al cambiar la corriente que pasa a través de los calentadores debajo de las dos cámaras. Por ejemplo, el calentamiento de una muestra y una referencia procede a una velocidad predeterminada hasta que la muestra emite o consume calor. El circuito está programado para proporcionar una temperatura constante entre los compartimentos de muestra y de referencia. Si tiene lugar una ocurrencia endotérmica, como la fusión de la muestra, la temperatura de la muestra será menor que la de la referencia. Se le da menos corriente a la muestra y la cantidad de disminución refleja la cantidad de energía necesaria para fundir la muestra. La cantidad de energía necesaria para fundir la muestra se da generalmente como el área bajo la curva resultante. Las ventajas de DSC y DTA sobre un buen calorímetro adiabático incluyen velocidad, bajo costo y la capacidad de usar muestras pequeñas.
Adición de cargas
La adición de cargas (baja dilatación térmica) a los polímeros (alta dilatación térmica) reduce la proporción de estos últimos y, por tanto, la contracción de los plásticos durante el procesamiento. El flujo de fusión también es más bajo. Las temperaturas de deflexión térmica (HDT) de los polímeros amorfos son las mismas que las de los plásticos sin relleno o no superan aprox. 10 K mayor), probablemente debido a la mayor viscosidad del plástico relleno. Las HDT de los termoplásticos amorfos son casi idénticas a las temperaturas de transición vítrea. Los HDT de los polímeros cristalinos dependen de una serie de factores. Los polímeros cristalinos sin relleno o con relleno de partículas muestran HDT que a menudo son considerablemente más bajos que su temperatura de fusión. Tras el relleno de fibra, los HDT de los polímeros cristalinos aumentan considerablemente; pueden alcanzar valores cercanos a las temperaturas de fusión. Se cree que este comportamiento se debe a la cristalización adicional del polímero cerca de la superficie de la fibra, epitaxial, oa la adsorción del polímero sobre la misma.