Estudio comparativo del comportamiento mecanico, entre los ...
COMPORTAMIENTO MECANICO
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Comportamiento mecnico
Parte 1. Generalidades
Abril 2013
Colour responsive smart polymers and biopolymers films through nanodispersion of organic chromophores and metal particles
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Comportamiento esfuerzo - deformacin
Las propiedades de los polmeros se especifican con
Mdulo de elasticidad
Fuerza tensil
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Las caractersticas mecnicas de los polmeros sonmuy sensibles a los cambios de T, tiempo, carga(tipo y magnitud), radiacin UV, qumicos, etc.
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Comportamiento especial de los polmeros vs fuerza aplicada
Las macromolculas no se deforman en cuanto lacarga se aplica, ni tampoco se relocalizan en sulugar una vez retirada dicha fuerza.
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Esfuerzo-deformacin
Se han encontrado experimentalmente distintostipos de comportamiento de los materialespolimricos
rgido
plstico
elstico
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Curva para polmero plstico
Determinacin de TS y y
Fuerza tensil deformacin donde se fractura
Stress yield (fluencia), valor mximo de carga
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Valores de las propiedades mecnicas para polmeros
Mdulo elstico 7 MPa 4 Gpa
Elongaciones hasta de 1000% para algunoselastmeros
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Dependencia de las propiedades mecnicas con la Temperatura
De las isotermas obtenidas paraPLEXIGLAS (polimetilmetacrilato),al aumentar la T, disminuye elmdulo elstico, se reduce lafuerza tensil y a baja T elmaterial es sumamente frgil
Entre 50-60C la deformacin esenorme
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Deformacin VISCOELSTICA
Aplica para polmeros amorfos que se comportancomo vidrios a bajas temperaturas y gomosos a Tintermedias (por encima de Tg)
En deformaciones pequeas, el comportamientopuede ser elstico, conforme con la ley de Hooke
A altas T prevalece el comportamiento viscoso olquido
A T intermedias se presentan caractersticasmecnicas combinadas
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Curva esfuerzo-deformacin para un polmero semicristalino
La deformacin elstica es instantnea, hay recuperacin de las dimensiones originales del especimen
Deformacin irreversible
Deformacin reversible
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Deformacin con respecto al tiempo
Carga vs tiempo Aplicada de ta-tr
Deformacin vs tiempo
Respuesta viscoelstica Respuesta viscosaf(t)
Respuesta elsticaIndependiente t
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Mdulo viscoelstico de relajacin
El comportamiento viscoelstico tiene fragmentosdependientes e independientes del tiempo ytemperatura
Se obtiene dicho valor de medir la carga necesariapara mantener la deformacin en funcin deltiempo, a T cte.
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Se define entonces el MDULO DE RELAJACIN,dependiente del tiempo para polmerosviscoelsticos
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DEFORMACIN MACROSCPICA
La curva de esfuerzo-deformacin de polmeros semicristalinos muestra en general DOS etapas: una de deformacin reversible y la otra irreversible
El especimen en la regin irreversible pasa del alargamiento del cuello a la extensin total
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Deformacin viscoelstica
Polmeros
amorfos
Vidrio
Baja T
Comportamiento elstico: Ley de
Hooke
Slido gomoso
T intermedia
Comportamiento gomoso,
caractersticas combinadas
VISCOELASTICIDAD
Lquido viscoso
T altas
Comportamiento viscoso
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Relacin carga vs deformacin (t)
Ciclo de carga f(t)
Material elsticoDeformacin INDEPENDIENTE (t)
Material viscoelsticoambos
Material viscosoDEPENDIENTE (t)
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Cuando se presenta el comportamiento viscoso, ni ladeformacin ni la relajacin son inmediatos, sepresentan retrasados por un intervalo de tiempo.
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Mdulo de relajacin viscoelstica
Ya que las propiedades de los materialesviscoelsticos dependen del t y T, se han utilizadodiversas tcnicas experimentales para medir ycuantificar la respuesta.
Relajacin
STRESS RELAXATION
T cte.
La tensin aplicada es
contnua, y se miden los cambios
respecto al t
Deformacin del especmen
rpidamente bajo tensin, a un
nivel bajo y predeterminado
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La tensin disminuye respectoal tiempo, debido a losprocesos de RELAJACINMOLECULAR
Se define el MDULO DERELAJACIN
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El valor del mdulo de relajacin es DEPENDIENTEde la Temperatura
El estudio de estos materiales deben inclur unanlisis a distintas temperaturas
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POLMERO VISCOELSTICO ISOTERMAS DEPENDENCIA DEL MDULO DE RELAJACIN CON RESPECTO AL TIEMPO
POLMERO VISCOELSTICO
La magnitud de E disminuyerespecto al tiempo
t1=10s a bajas T, regin vtrea elmaterial es frgil y rgido. El valorde E(10s) corresponde al delmdulo elstico
Despus, el incremento de la Tproduce una abrupta disminucinde E, corresponde al intervalo detransicin vtrea
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PS, cinco regiones del comportamiento viscoelstico
Meseta gomosa: amboscomponente viscoso yelstico
Regin fludo-gomosolquido muy viscoso:componentes elstico yfludo gomoso
Regin fludo viscoso:mdulo de relajacindisminuye dramticamentecon aumento de T
Molecularmente, el mov. de las cadenas es tan grande que las cadenas vibran y rotan libremente
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Curva de mdulo de relajacin en funcin de la T, PS
B meseta que termina endescomposicin (nofunde)
C la misma que en laanterior
A el valor del mdulo semantiene alto, hasta quealcanza la Tfusin(240C)
A cristalino, isotctico
B poco entrecruzado, atctico
C amorfo
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Viscoelastic Creep / Deformacin viscoelstica
Deformacin dependiente del tiempo, tensinconstante
Se aplica una fuerza instantnea y se mantiene anivel constante y se mide la DEFORMACINrespecto al tiempo
Se realizan en condiciones isotrmicas
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CARACTERSTICAS MECNICAS
Impacto
Fatiga
Dureza
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Fuerza de impacto
Los polmeros muestran fractura dctil bajocondiciones de carga, dependiendo de la T, tamaodel especmen, velocidad de tensin, modo decarga.
La fuerza de impacto disminuye a altas T, elpolmero se ablanda
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FatigaCurva ciclos vs deformacin
Bajo condiciones de carga cclica se observafractura por fatiga
Con lmite de fatiga: la tensin a la ruptura es independiente
de los ciclos
Los polmeros son mucho ms sensibles a la frecuencia de
carga que los metales
Si se someten a altasfrecuencias de carga, se puedeocasionar calentamientolocalizado y as la rupturapuede deberse aablandamiento ms que a lafatiga
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Tear strength y dureza
Polimeros tienen la capacidad de resistencia aldesgarre (pelculas delgadas)
Se aplican las mismas pruebas experimentales quea metales
Durmetro, Barcol, Rockwell
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MECANISMOS DE DEFORMACIN
Deformacin elstica
Deformacin plstica
Predeformacin
Tratamiento trmico
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Modelos de deformacin
PARA SEMICRISTALINOS
PARA ELASTOMRICOS
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DEFORMACIN DE POLMEROS SEMICRISTALINOS
La deformacin ocurre a bajas cargas, segn lacurva.
ETAPA 1 La deformacin ELSTICA se origina enlas regiones amorfas elongndose en la direccinde la fuerza aplicada
Dos lamelas adyacentes y material amorfo interlamelar
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DEFORMACIN ELSTICA
ETAPA 2 Si la deformacin contina, entonces tanto la regin cristalina como la amorfa, sufrirn cambios
Ambas se elongan, t es reversible
Se debe a los movimientos de estiramiento y flexin de los
enlaces covalentes
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MECANISMOS DE DEFORMACIN PLSTICA
La transicin dedeformacinELSTICA aPLSTICA ocurre enla ETAPA 3: lascadenas de laslamelas se deslizanentre ellas, laslamelas se alineancon el eje de lafuerza aplicada
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DEFORMACIN PLSTICA
En la ETAPA 4, losbloques cristalinos seseparan de la lamelay dichos segmentospermanecen unidospor las cadenasamorfas
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En la etapa final, ETAPA5 los bloques y lascadenas se orientan en ladireccin del eje tensil
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Ya realizada la deformacin, las esfrulasexperimentan grandes cambios estructurales deforma y a deformacin intensa, la subestructura estotalmente destruda
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Recocido
Tratamiento trmico
Ablanda el material y se recupera la estructurainicial enfrindolo
La combinacin cclica de los procesos decalentamiento enfriamiento llevan a la obtencinde un material con grandes deformaciones(alcanzadas de manera gradual) que no se puedenconseguir por otros mtodos.
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RECOCIDO
Aumenta la PLASTICIDAD, DUCTILIDAD y TENACIDAD en metales
Aplicaciones:Ablandar para facilitar el procesado
Es un proceso en etapas:Calentamiento Mantener la T por un t determinado Enfriado a T ambiente
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RECOCIDO EN METALES
Eliminacin de tensiones (calentamiento, enfriamiento lento)
De ablandamiento (calentar, mantener por horas la T, enfriar, alternadamente subir y bajar la T)
Normal
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ANNEALING polmeros
Si se somete el material a deformacin y secalienta a T elevada (cercana al Tfusin),alenfriarse se observar la recristalizacin paraformar de nuevo la estructura de esfrula.
Como resultado final, el especimen reducir susdimensiones iniciales (encogimiento)
EL grado de RECUPERACIN depender de la Tannealing y del grado de ELONGACIN.
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LAS PROPIEDADES MECNICAS DEPENDEN DE:
Peso molecular
Grado de cristalinidad
Predeformacin
Tratamiento trmico, T
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PESO MOLECULAR Y PROPIEDADES MECNICAS
La fuerza tensil aumenta si lo hace el Mw
La funcin que las relaciona es:
Porque aumenta el no. de regiones enredadas entrelas cadenas
Fuerza tensil al M infinitoA= cte
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GRADO DE CRISTALINIDAD Y PROPIEDADES MECNICAS
En polmeros semicristalinos (con fuerzassecundarias, dbiles en las regiones amorfas) , elMDULO TENSIL aumenta considerablemente conel GRADO DE CRISTALINIDAD.
Si aumenta el grado de cristalinidad, tambin lohace LA FUERZA, as que el material es ms RGIDO
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Mw y K en las caractersticas fsicas del PE
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PREDEFORMACIN / drawing
Comercialmente, para mejorar la resistenciamecnica y el mdulo tensil es la DEFORMACINPERMANENTE del polmero bajo tensin, se llamaDRAWING.
Corresponde al estiramiento del especimennecking
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En el drawing pre-deformacin por estiramiento,las cadenas se deslizan una sobre otra y se vuelvenms orientadas
Son materiales anisotrpicos, debido a que ladeformacin no es homognea
Los valores de fuerza del material incrementan enun factor de 3, respecto a los que no han sidopredeformados.
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El tratamiento trmico (annealing) puede llevar a unaumento en la CRISTALINIDAD, en el tamao de lacristalita y perfeccin
Incrementa el MDULO TENSIL, DUREZA y reducela DUCTILIDAD (al contrario de los metales)
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Tiempo de relajacin
Tendencia del material (dependiente del tiempo)para alcanzar el estado de equilibrio cuando sesomete a una carga externa
Se obtiene a partir de la respuesta viscosa yelstica de la ecuacin: