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Investigación reológica de polímeros

Hoy en día, los polímeros están entre los materiales más importantes para la utilización técnica y representan un papel fundamental en la vida cotidiana, dado que las propiedades de los polímeros pueden adaptarse de innumerables formas para adecuarse a prácticamente cualquier campo de aplicación. Además de los polímeros naturales como proteínas, almidones, celulosa, etc., hay muchos tipos diferentes de polímeros producidos sintéticamente, como el nylon, las siliconas, PVC, etc. Algunos polímeros son duros y frágiles, algunos son duros y resistentes al choque, mientras que otros son suaves y flexibles. Por lo tanto, la producción y caracterización de los polímeros es el foco de numerosas industrias e institutos de investigación especializados.

Comportamiento reológico de los polímeros

Los polímeros son moléculas grandes compuestas por muchas subunidades repetidas llamadas monómeros. La longitud de las cadenas moleculares y las conexiones entre ellas son esenciales para las propiedades del material. Muchas de las propiedades relevantes de los polímeros pueden caracterizarse utilizando pruebas reológicas. La descripción de estas propiedades requiere procedimientos de pruebas muy variados para obtener la información deseada.

Los polímeros muestran un comportamiento reológico complejo, que debe considerarse al usar o producir estos tipos de materiales, como la viscosidad de lamuestra fundida, el comportamiento del flujo, las propiedades viscoelásticas, el comportamiento en función de la temperatura, la temperatura de transición vítrea, el envejecimiento, etc. Se emplean diversas pruebas y métodos de análisis para optimizar las propiedades de los polímeros hasta satisfacer todos los requisitos.  

Investigación de polímeros utilizando pruebas reológicas

Las pruebas reológicas son útiles en:

  • El control de la calidad de los polímeros, p. ej., al determinar los parámetros de viscosidadviscoelasticidad , y la masa molar
  • Mejora del comportamiento de procesamiento de los polímeros para, p. ej., moldeado por inyección, extrusión, hilado de fibras, etc.
  • Optimización del producto final (p. ej., materiales plásticos en la producción en la industria del automóbil)

Vidrio acrílico (PMMA)

El polimetilmetacrilato (PMMA) también es conocido como vidrio acrílico o como la reconocida y establecida marca comercial Plexiglas™. De hecho, es de aspecto similar al vidrio, pero liviano y resistente a los golpes. Al modificarse correspondientemente, el vidrio acrílico muestra excelente resistencia a los rayones e impactos. El material puro pocas veces se vende como producto final, sino como una formulación modificada con cantidades variables de co-monómeros, aditivos y rellenos. Dada su composición, el vidrio acrílico tiene algunas propiedades específicas: Puede transmitir la luz mejor que el vidrio normal; es elástico, a prueba de golpes y fácilmente conformado a temperaturas superiores a aproximadamente 105 °C; además, se puede unir o soldar. Algunos tipos son permeables a la luz ultravioleta y a los rayos X, pero no a la luz infrarroja, por lo que son ideales para aplicaciones específicas como los invernaderos y la litografía de rayos X.

El vidrio acrílico puede encontrarse en muchos productos de las industrias médica, del automóbil, de la construcción y óptica, como vidrios indicadores, vidrios para anteojos, pisos industriales, cubiertas de luz para vehículos, fibras ópticas, lentes, muebles, etc.

Pruebas reológicas de vidrio acrílico

Una clase de prueba reológica realizada con frecuencia sobre el vidrio acrílico es un "análisis termomecánico dinámico (DMA)" en torsión utilizando un reómetro oscilatorio. Durante esta prueba, se fija una muestra de barra sólida de vidrio acrílico entre dos abrazaderas y se deforma a una amplitud y frecuencia específicas sobre un rango de temperatura definido. A temperaturas bajas, el polímero muestra un comportamiento rígido y frágil (-150 °C). A medida que el polímero se calienta a temperaturas muy altas, comienza a fundirse, pasando desde el estado sólido y vítreo hasta el rango de ablandamiento a la temperatura de transición vítrea, para alcanzar por último el estado fundido. La medición exacta de una barra sólida de vidrio acrílico en un amplio rango de temperaturas proporciona mucha información sobre el vínculo entre la estructura macromolecular y el comportamiento mecánico.

Esta prueba requiere un reómetro equipado con un sistema de calentamiento por convección para accesorios para torsión de sólidos.

Polietileno (PE)

Entre otras aplicaciones, el polietileno (PE) se utiliza como material de embalaje en forma de botellas, bolsas, películas, etc. Está clasificado en varias categorías diferentes sobre todo en función de su densidad y ramificación molecular. Por ejemplo, hay un polietileno de alta densidad (HDPE), polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de baja densidad lineal (LLDPE), etc. Según la magnitud y el tipo de ramificación, la estructura semicristalina y la masa molar, el polietileno puede mostrar numerosas propiedades mecánicas. En tanto que el LDPE se utiliza para contenedores rígidos, el LLDPE tiene una resistencia a la tensión más alta en comparación con el LDPE, y se usa para embalaje, en particular en forma de película para hojas, bolsas plásticas y envoltorios de film. El HDPE tiene una proporción de alta resistencia a densidad y se utiliza para productos y materiales de embalaje, como cartones de leche, botellas de detergentes, envases de mantequilla, contenedores de basura y tuberías de agua.

Pruebas reológicas de polietileno

Las mediciones reológicas proporcionan información sobre las propiedades químicas de los PE. Por ejemplo, la masa molar de PE puede ser determinada por medición de su viscosidad a cizalla cero  con la ayuda de barridos de frecuenciaLos barridos de frecuencia son pruebas de oscilación llevadas a cabo a amplitud constante y frecuencias variables. A valores bajos de la frecuencia angular, es posible determinar el valor de la viscosidad a cizalla cero  de la muestra. La viscosidad a cizalla cero  de la muestra es una de las propiedades más importantes de polímeros fundidos, dado que es directamente proporcional a la masa molar promedio. Una gran ventaja de la caracterización de un polímero fundido con un reómetro oscilatorio es el tiempo relativamente corto que toma una medición común. 

Esta prueba requiere un reómetro equipado con sistema de control de temperatura Peltier.

Polipropileno (PP)

El polipropileno (PP) es un polímero duro y flexible con diversas aplicaciones, incluidos los envases flexibles, los textiles, los billetes de polímero y los materiales de ingeniería. El PP tiene propiedades similares al polietileno, pero el PP tiene una densidad inferior, un punto de fusión superior (TM > 160 °C) y una excelente resistencia química. Los productos hechos de PP pueden fabricarse de diversas formas, como la extrusión de película (para embalaje), el moldeado por soplado (para contenedores más fuertes, como botellas, tinas, tanques de combustible) y moldeado por inyección para aplicaciones de más alto rendimiento como los cascos de seguridad, las herramientas eléctricas y las cajas de los televisores. Esta versatilidad en la fabricación significa que se pueden utilizar diversos aditivos (por ejemplo, tintes y pigmentos) y agentes reforzados para modificar las propiedades del polímero. Por ejemplo, el refuerzo de fibra de vidrio proporciona al PP mayor resistencia a la tensión a temperaturas más altas.

Pruebas reológicas de polipropileno

Para ver cómo reacciona el PP (o PP reforzado con fibra de vidrio) al esfuerzo mecánico a diferentes temperaturas, se utiliza el análisis dinámico-mecánico (DMA). Los propósitos principales de este tipo de prueba es ver en qué punto el polímero empieza a ablandarse (su temperatura de transición vítrea, Tg), y hasta qué temperatura el polímero todavía puede resistir una carga mecánica dada. Existen otros métodos de análisis térmico para realizar estas pruebas (calorimetría de barrido diferencial, DSC, o análisis termomecánico, TMA), pero el DMA suele ser mucho más preciso para dar con los resultados de las pruebas. Tg.

En la prueba de torsión DMA, una muestra sólida (por ejemplo, con una sección transversal rectangular o circular) del polímero, se fija entre dos abrazaderas y se deforma a una amplitud y una frecuencia sinusoidal específicas utilizando un reómetro oscilatorio. La muestra se somete a deformación o tensión en un rango de temperatura definido, y la respuesta del polímero a la carga mecánica prefijada se mide siguiendo el aumento de la temperatura.

Esta prueba requiere un reómetro equipado con un motor lineal y un sistema de análisis dinámico-mecánico.

Poliestireno (PS)

De producción relativamente económica, el poliestireno está entre los plásticos utilizados con más frecuencia. En la forma de espuma de poliestireno, se usa comúnmente para el embalaje de protección. En su forma rígida, se usa como material de construcción, envases de yogur, estuches de CD/DVD, botellas, etc. El poliestireno tiene un punto de fusión relativamente bajo (aproximadamente 100 °C) y es transparente. En usos industriales, por lo general es de color  

Pruebas reológicas del poliestireno

Para investigar el comportamiento a corto y largo plazo de una fusión de poliestireno, es posible realizar un barrido de frecuencia con un reómetro oscilatorio. Los barridos de frecuencia son pruebas de oscilación realizadas a una amplitud constante y frecuencias variables. La muestra de polímeros colocada en la celda de medición puede estar en la forma de gránulos, un polvo o de una placa preformada. El análisis del punto de cruce entre el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdida permite obtener una imagen cualitativa de la masa molar promedio de la muestra de polímero. Con otros métodos de análisis, se puede determinar la distribución de la masa molar (MMD). Al contrario de otros métodos como el análisis GPC (cromatografía de impregnación del gel), este método de prueba no requiere solventes y no hay límites para la determinación de la MMD. 

Esta prueba requiere unreómetro equipado con un sistema de control de temperatura Peltier.

Poliuretano (PU)

Los poliuretanos (PU) son los polímeros más frecuentemente utilizados para hacer espumas. Los PU se forman por una reacción de dos componentes entre un isocianato y un poliol. Cuando hay agua presente, la reacción produce CO2 que deja burbujas en el polímero para crear una espuma. Los PU son polímeros muy versátiles; sus aplicaciones van desde los asientos de espuma y el aislamiento hasta fibras sintéticas como Spandex, así como diversos productos del automóbil, como sellos y juntas estancas, bujes de suspensión, revestimientos y selladores. 

La gran versatilidad de los PU se produce porque los dos componentes utilizados para hacerlos pueden ser tan diversos. Las cadenas largas y el entrecruzamiento bajo resultan en un polímero blando y estirable, mientras que las cadenas cortas con muchos entrecruzamientos transversales producen un polímero duro. Al seleccionar cuidadosamente los componentes y controlar de cerca las propiedades reológicas de la reacción, el producto final se puede diseñar con precisión.

Pruebas reológicas del poliuretano

Los PU se fabrican mezclando los dos componentes líquidos, el isocianato y el poliol, y dispersando la mezcla en un molde. La reacción de curado se produce a continuación y la viscosidad aumenta hasta que termina la reacción y el producto sólido final se puede desmoldar. La viscosidad y otras propiedades de la muestra se pueden analizar a lo largo de todo el proceso de curado usando un reómetro con un sistema de medición de platos paralelos. Aquí, por ejemplo, se puede preconfigurar una prueba de oscilación con una amplitud baja constante, como 0,05 %. Puntos importantes que se pueden medir, tales como la vida útil de la mezcla (el punto hasta el que la muestra todavía se puede procesar, por ejemplo, inyectado en un molde), el punto sol-gel (donde la muestra pasa de líquido a sólido gelatinoso) y el tiempo de curado, como se muestra en el gráfico siguiente.

Para esta prueba se necesita un reómetro equipado con un sistema de control de temperatura Peltier y un sistema de medición tipo plato-plato descartable.