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Los polímeros representan algunos de los materiales más utilizados en el mundo, y se encuentran en todo, desde selladores blandos hasta tuberías de agua rígidas. La definición más básica de un polímero es una estructura molecular con una larga cadena de subunidades repetidas, o monómeros. Los polímeros se pueden clasificar en muchas subcategorías. Dos de los más básicos son los plásticos que sujetan la forma y los elastómeros flexibles.
Los plásticos se subdividen a su vez en termoplásticos y termoestables. Los termoplásticos son en su mayoría lineales y exhiben muy poca reticulación. Los termoestables suelen tener estructuras tridimensionales más complicadas, normalmente con una amplia reticulación.
Los elastómeros, también conocidos como cauchos, se componen de largas cadenas de polímero enrolladas y se pueden estirar más allá de su longitud de reposo original, pero se contraerán de nuevo al tamaño original cuando se liberen.
En este video, determinaremos las curvas de tensión y deformación para diferentes materiales poliméricos, con el fin de comprender cómo sus propiedades mecánicas afectan sus rendimientos.
Una de las formas más básicas en que se caracterizan los polímeros es con un análisis de curva de tensión-deformación. Esto implica aplicar una carga conocida a una muestra y observar la deformación resultante.
El comportamiento tensión-deformación de los polímeros depende en gran medida del tipo de material que se está analizando. El eje de tensión representa la cantidad de fuerza aplicada al material, mientras que la curva de deformación representa la deformación relativa debido a esta tensión. El punto final de la curva representa el punto donde el material finalmente falló, debido a la fuerza aplicada.
En las regiones lineales de una curva de tensión-deformación, la pendiente representa el módulo de Young de ese material. Esta es una propiedad intrínseca de un material dado. La deformación dentro de esta región lineal se conoce como deformación elástica y es reversible. La deformación más allá de esta región se conoce como deformación plástica y es permanente.
Ahora que comprende los polímeros y sus propiedades, probemos diferentes materiales poliméricos utilizando una máquina de prueba de tracción.
Obtenga muestras de tracción típicas de materiales poliméricos acrílicos, nylon, HPDE y PVC. Usando un micrómetro, mida el ancho y el grosor en varios lugares a lo largo del eje de cada espécimen para determinar las dimensiones promedio de la sección transversal. Registre el ancho y el grosor promedio medidos de cada espécimen en la hoja de datos.
Configure la máquina de prueba universal como se muestra en el video de JoVE con respecto a las características de tensión-deformación de los aceros. A continuación, coloque la muestra en las mordazas de la máquina de ensayo de tracción. Asegúrese de que al menos el 80 por ciento de cada extremo esté firmemente sujeto a las empuñaduras, lo que ayudará a evitar el deslizamiento durante la operación de carga. También se puede utilizar papel de lija para mejorar el agarre de la muestra.
Fije el extensómetro electrónico de forma segura a la muestra de acuerdo con las instrucciones del fabricante. A continuación, mida la longitud de la muestra entre las empuñaduras. Este valor es la longitud del calibre y se utilizará para calcular la deformación. Ahora, comience a aplicar la carga de tracción a la muestra y observe la lectura en vivo de la carga aplicada en la pantalla de la computadora. Si la carga medida no aumenta, la muestra se desliza a través de las mordazas y es necesario volver a colocarla. En este caso, detenga la prueba y vuelva a colocar la muestra en las mordazas.
Continúe aplicando la carga de tracción lentamente, observando la forma de la carga generada por computadora frente al gráfico de desplazamiento a lo largo de la carga. En algún momento antes de que se produzca un error en la muestra, el software pausará automáticamente la prueba. Deje la muestra en la máquina de prueba y retire el extensómetro. Reanude la aplicación de la carga de tracción hasta el fallo. Registre la carga máxima y la carga en caso de fallo. Retire la muestra rota de la máquina. Observar y documentar la ubicación y el carácter de la fractura. Mida el ancho y el grosor de la muestra en la región de falla y registre las mediciones finales.
Repita este protocolo para los especímenes restantes, asegurándose de documentar y caracterizar la ubicación de sus fracturas.
Una vez finalizadas las pruebas, veamos ahora los resultados de la prueba de tracción. Aquí, vemos la progresión de la falla en una muestra de polietileno de alta densidad. Durante la prueba de tracción, hay una cantidad significativa de cuello hacia arriba y hacia abajo de la muestra a medida que las cadenas poliméricas se desenrollan, lo que muestra la ductilidad del HDPE. Este fenómeno es aún más notable si el material se carga lentamente, lo que permite que la muestra de HDPE se estire varias veces su longitud inicial.
El PVC muestra una progresión de falla similar al HDPE, pero con un módulo de Young mucho más alto y una ductilidad más baja.
La muestra de nailon tenía un módulo de Young casi tan alto como el PVC, pero era un material mucho más dúctil, alargado de manera más similar a la muestra de HDPE.
Por el contrario, la muestra acrílica básicamente falla sin ninguna deformación no lineal. La rotura resultante se produce sin elongación visible de la muestra.
A continuación, calculemos el módulo de Young para las regiones lineales de los especímenes. Tomaremos muestras de tres pares de puntos a través de la región de deformación elástica y calcularemos la pendiente de cada par. Los promedios de estas tres pendientes serán el módulo aproximado de Young de ese material.
Como se puede observar, los dos módulos de Young más altos corresponden a los materiales que requirieron más fuerza para romperse. En este ejemplo, representa las muestras de PVC y acrílico. Estos materiales también sufrieron poca o ninguna deformación plástica, en comparación con el HDPE o el nailon, lo que los convierte en materiales comparativamente frágiles. Las muestras de HDPE y nylon tenían módulos de Young más bajos, lo que significa que se requirió menos fuerza para deformarse. Estas muestras experimentaron un estrechamiento significativo, lo que las convierte en los materiales más dúctiles de los muestreados.
Veamos ahora un par de aplicaciones comunes de diferentes polímeros. Casi cualquier campo profesional encontrará el uso de plásticos, desde equipos médicos hasta materiales de construcción de alta resistencia.
En aplicaciones de ingeniería civil, los polímeros se utilizan ampliamente para selladores, tuberías o mangueras, revestimientos, revestimientos y adhesivos. Las diversas propiedades de los polímeros los convierten en candidatos potenciales para casi cualquier trabajo.
Los elastómeros son un tipo específico de polímero, ampliamente buscado por sus propiedades únicas. Como tienen una gran relación de estiramiento, no conducen la electricidad y son extremadamente impermeables, son útiles en aplicaciones que van desde cables aislantes eléctricos hasta guantes nitro utilizados en laboratorios.
Acabas de ver la introducción de JoVE a las pruebas de tensión de polímeros. Ahora debe comprender los conceptos básicos de la ciencia de los polímeros y conocer la prueba de laboratorio estándar para determinar la relación tensión-deformación para diferentes materiales poliméricos.
¡Gracias por mirar!