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Propiedades fisicas y mecanicas de los materiales

Propiedades fisicas de los polimeros • Estudios de difracción de rayos X sobre muestras de polietileno comercial, muestran que este material, constituido por moléculas que pueden contener desde 1.000 hasta 150.000 grupos CH2 – CH2 presentan regiones con un cierto ordenamiento cristalino, y otras donde se evidencia un carácter amorfo: a éstas últimas se les considera defectos del cristal. En este caso las fuerzas responsables del ordenamiento cuasicristalino, son las llamadas fuerzas de van de Waals. En otros casos (nylon 66) la responsabilidad del ordenamiento recae en los enlaces de H. La temperatura tiene mucha importancia en relación al comportamiento de los polímeros. A temperaturas más bajas los polímeros se vuelven más duros y con ciertas características vítreas debido a la pérdida de movimiento relativo entre las cadenas que forman el material. La temperatura en la cual funden las zonas cristalinas se llama temperatura de fusión (Tf) Otra temperatura importante es la de descomposición y es conveniente que la misma sea bastante superior a Tf.

La clasificación según sus propiedades físicas es.• • •

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Según sus aplicaciones Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en: Elastómeros. Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada resiliencia. Plásticos. Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros. Fibras. Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables. Recubrimientos. Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión. Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial.

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Según su comportamiento al elevar su temperatura Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por el contrario no lo hace se diferencian dos tipos de polímeros:

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Termoplásticos, que fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado solido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos. Ejemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), policloruro de vinilo PVC.

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Termoestables, que no fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos es que se descompongan químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas.

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La clasificación termoplásticos / termoestables es independiente de la clasificación elastómeros / plásticos / fibras. Existen plásticos que presentan un comportamiento termoplástico y otros que se comportan como termoestables. Esto constituye de hecho la principal subdivisión del grupo de los plásticos y hace que a menudo cuando se habla de "los termoestables" en realidad se haga referencia sólo a "los plásticos termoestables". Pero ello no debe hacer olvidar que los elastómeros también se dividen en termoestables (la gran mayoría) y termoplásticos (una minoría pero con aplicaciones muy interesantes).

Propiedades mecanicas e los polimeros

• son una consecuencia directa de su composición así como de la estructura molecular tanto a nivel molecular como supermolecular. Actualmente las propiedades mecánicas de interés son las de los materiales polímeros y estas han de ser mejoradas mediante la modificación de la composición o morfología por ejemplo, cambiar la temperatura a la que los polímeros se ablandan y recuperan el estado de sólido elástico o también el grado global del orden tridimensional. Normalmente el incentivo de estudios sobre las propiedades mecánicas es generalmente debido a la necesidad de correlacionar la respuesta de diferentes materiales bajo un rango de condiciones con objeto de predecir el desempeño de estos polímeros en aplicaciones prácticas. Durante mucho tiempo los ensayos han sido realizados para comprender el comportamiento mecánico de los materiales plásticos a través de la deformación de la red de polímeros reticulados y cadenas moleculares enredadas, pero los esfuerzos para describir la deformación de otros polímeros sólidos en términos de procesos operando a escala molecular son mas recientes. Por lo tanto se considerarán los diferentes tipos de respuesta mostrados por los polímeros sólidos a diferentes niveles de tensión aplicados; elasticidad, viscoelasticidad, flujo plástico y fractura

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b) Deformación elástica. Empecemos con algunas definiciones; a bajas deformaciones se dice que el material sufre una deformación elástica termino que manfiesta un proceso reversible, o sea el material almacena energía, por lo que cuando se cesa la fuerza externa, el material en esa zona es capaz de volver a su estado (o longitud) inicial, “expulsando” la energía acumulada. En general esta zona elástica coincide con la zona lineal de la curva de tracción deformación, por lo que se emplea la siguiente relación (análoga a la ley de Hooke), valida sólo para la zona elástica-lineal donde los sub-índices indican la dirección del ensayo. La constante E se denomina Módulo de Elasticidad o de Young, y de la expresión queda claro su significado: es la constante que relaciona, en la zona elástica-lineal, la tensión con la deformación. Con lo anterior su cálculo resulta directo: es la pendiente a bajas deformaciones en la curva (en realidad recta, pues la definición impone la condición lineal) tracción-deformación; el requisito de baja deformación es sólo para garantizar la linealidad, recordemos que este modulo está definido como una constante. Hay que señalar que hay veces que el modulo se define como la pendiente cuando el material sufre un porcentaje de deformación dado, por ejemplo 10%, sin embargo esta definición no es precisa puesto que puede existir materiales que sufran deformación elástico-lineal sólo por debajo del valor señalado, con lo que se cometería un error en el cálculo del valor del módulo. Un termino muy utilizado en ingeniería es el de rigidez, el cual se relaciona con la “dificultad” que se tiene para deformar una muestra; en nuestro caso un material rígido se referirá a uno con alto Módulo de Elasticidad

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c) Deformación plástica y punto de fluencia. Como se pudo haber observado, la deformación elástica tiene un fin, excepto obviamente los elastómeros. Lo que viene después es lo que se denomina deformación plástica, y se puede definir como aquel proceso donde producto de la deformación el sistema pierde energía, es decir parte de la energía que se le entrega al material para ser deformado no se recupera, por lo que el material sufre una deformación permanente. Es importante señalar que cuando se llega a esta zona de deformación plástica y al material se le cesa la fuerza externa, existirá una recuperación, que no será total, la cual está asociada a la parte elástica de la deformación. Desde el punto de vista molecular, todo lo anterior quiere decir que los átomos que han sido sometido a esa fuerza (por sobre la necesaria para comenzar la deformación plástica) han sido perturbados a una nueva configuración que es estable en ausencia de la tensión. Este tipo de deformación en el caso de un ensayo de tracción-deformación ocasionara un direccionamiento de las cadenas, lo que trae como consecuencia la anisotropía progresiva del material. Sin embargo, si nos enfocamos en la parte líquida viscoelástica del polímero (parte amorfa sobre la Tg) esposible que los movimientos brownianos volverán a relajar las cadenas, o volverlas a su estado inicial, por lo que la deformación se producirá por movimientos de las cadenas comoun todo, en forma análoga a los metales.

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El punto de transición, es decir el límite entre los procesos elásticos y los plásticos, sedenomina punto de fluencia (“yield point”) y queda caracterizado por una tensión y deformación particular denominados de fluencia. este punto está caracterizado por el máximo que aparece en esa curva antes de caer el valor de la tensión, en todo caso cuando no aparece este máximo es recurrente tomar la intersección de la recta asociada con la zona elástica con la recta de la zona plástica. La curva d no presenta un punto de fluencia definido pues se supone que no tiene deformación del tipo plástica. Es importante señalar que la aparición del punto de fluencia coincide generalmente con la aparición de un cuello (“necking”) en la probeta, caracterizado por una disminución muy marcada en la sección transversal de esta, en un punto particular, por lo que el material en esa zona estaría recibiendo una carga o tensión mucho mayor que la que se grafica normalmente (tensión nominal) producto de la disminución del área en ese punto; luego, se podría pensar que la aparición del máximo es consecuencia de la formación del cuello, producto de que la carga real sería mucho mayor que la carga nominal. Sin embargo, en gráficos donde se muestra la tensión verdadera sigue apareciendo un máximo en algunas muestras, por lo que se concluye que está disminución en el valor de la tensión por sobre el punto de fluencia es una propiedad inherente a este tipo de materiales (aunque no aparece en todos los polímeros).