Pruebas Termicas - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

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:

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.