ENSAYOS DE DUREZA PARA POLIMEROS
1. INTRODUCCIÓN Los polímeros son materiales de alto peso molecular que pueden mostrar el comportamiento mecánico de una fibra, plástico, o elastómero. El uso de un polímero tal como un elastómero (caucho), un plástico, o una fibra depende de la fuerza relativa de sus enlaces intermoleculares y la geometría estructural. Los polímeros no cristalinos con fuerzas intermoleculares débiles son generalmente elastómeros o cauchos a temperaturas superiores a la temperatura de transición vítrea, Tg. Por el contrario, los polímeros con fuertes enlaces de hidrógeno y la posibilidad de alta cristalinidad pueden convertirse en fibras. Los polímeros con fuerzas intermoleculares moderados son de plástico a temperaturas por debajo de Tg. Algunos polímeros, tales como nylon, pueden funcionar tanto como una fibra y como un plástico; otros como el polipropileno isotáctico, carecen de puentes de hidrógeno, pero debido a su buena geometría estructural, pueden servir a la vez como un plástico plástico y como fibra. El término dureza , tal como se utiliza en la industria, se puede definir como la capacidad de un material para resistir la indentación o la deformación permanente cuando está en contacto con un indentador bajo carga. carga. El durómetro es un un instrumento del tamaño de una mano que mide la dureza de penetración de productos de caucho y plástico; se aplica manualmente a la muestra de ensayo, y la lectura se observa en un dial o indicador digital. En el presente informe evaluaremos la dureza de diferentes polímeros mediante los ensayos Shore A y D, conforme a la norma ASTM D2240. Estos métodos de ensayo permiten mediciones de dureza de una muestra basadas en la indentación inicial o la indentación luego de un periodo de tiempo especificado sobre la muestra, o ambos.
2. OBJETIVOS
Determinar la dureza de una muestra de neopreno y de una muestra “X” de material desconocido, mediante el ensayo de dureza Shore A según la norma ASTM D2240. Mediante tablas de dureza de la literatura, determinar si es posible, el tipo de material que compone la muestra “X”. Determinar la dureza de una muestra de polietileno de alta densidad (HDPE) y de una muestra de polimetilmetacrilato (PMMA), mediante el ensayo de dureza Shore D según la norma ASTM D2240.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1. Los polímeros y su clasificación Un polímero es un compuesto que consiste en moléculas de cadena larga, cada una de las cuales está hecha de unidades que se repiten y conectan entre sí. En una sola molécula de polímero puede haber miles, incluso millones, de unidades. La palabra se deriva de los vocablos griegos poly, que significa muchos, y meros (que se contrae a mero), que es parte. La mayoría de los polímeros se basan en el carbono, y por ello se les considera productos químicos orgánicos. Los polímeros se dividen en plásticos y cauchos (hules). Como materiales de ingeniería, son relativamente nuevos en comparación con los metales y los cerámicos, pues sólo datan de alrededor de la mitad del siglo XIX. Para estudiar los polímeros como materia técnica, es apropiado dividirlos en las siguientes tres categorías, sonde a) y b) son plásticos y c) es el caucho: a) Los pol ímer os ter mopl ásti cos , también llamados ter mopl ásticos , son materiales sólidos a temperatura ambiente, pero si se les calienta a temperaturas de apenas unos cientos de grados, se vuelven líquidos viscosos. Esta característica permite que adopten formas de productos de modo fácil y económico. Se pueden sujetar repetidas veces al ciclo de calentamiento y enfriamiento sin que el polímero se degrade en forma significativa. b) Los polímeros termofijos , o termofijos (termoestables) , a diferencia de los termoplásticos, no toleran ciclos repetitivos de calentamiento. Cuando se calientan de inicio, se suavizan y fluyen de modo que se pueden moldear, pero las temperaturas elevadas también producen una reacción química que endurece el material y lo convierte en un sólido que no se puede fundir. Si se le vuelve a calentar, los polímeros termofijos se degradan y carbonizan, en vez de suavizarse. c) Los elastómeros son los cauchos. Se trata de polímeros que presentan alargamiento elástico extremo si se les sujeta a un esfuerzo mecánico relativamente débil. Algunos elastómeros son capaces de estirarse en un factor de 10 y aún así recuperar su forma original por completo. Aunque sus propiedades son muy distintas de las de los termofijos, tienen una estructura molecular similar a la de estos, pero diferente de la de los termoplásticos.
3.2. Propiedades mecánicas de los materiales – DUREZA La dureza de un material se define como su resistencia a la indentación permanente. La profundidad de la indentación a una carga prescrita se determina y se convierte en un número de dureza (sin unidades de medida), que está inversamente relacionada con la profundidad. Por lo general, una dureza buena significa que el material es resistente a las
rayaduras y al uso. Ésta es una característica importante para muchas aplicaciones de ingeniería, incluyendo la mayoría de herramental usado en la manufactura. Es común utilizar pruebas de dureza para evaluar las propiedades del material porque son rápidas y convenientes, Sin embargo, son varios los métodos de prueba apropiados debido a las diferencias de dureza de materiales distintos. La profundidad de penetración está directamente relacionada con la fuerza requerida, por lo tanto durómetro se utiliza normalmente como un indicador de la rigidez (ya que se miden tanto la fuerza y la deflexión). Esta parece ser una definición lógica, ya que la relación entre la fuerza y la deformación por lo general deriva rigidez. Es importante, sin embargo, recordar que el caucho es un material no lineal (es decir, la tensión uniaxial frente a la curva deformación no forma una línea recta).
3.3. Ensayos de Dureza En general, un ensayo de dureza consiste en presionar un indentador de geometría y propiedades mecánicas conocidas en el material de ensayo. La dureza del material se cuantifica usando una de una variedad de escalas que indican directa o indirectamente la presión de contacto que participa en la deformación de la superficie de ensayo. Dado que el indentador es presionado en el material durante la prueba, la dureza también se considera como la capacidad de un material para resistir las cargas de compresión. La figura 3.1 muestra un esquema con los componentes básicos de un sistema de ensayos de indentación. Figura 3.1. Representación esquemática de los componentes básicos de un sistema instrumentado para pruebas de indentación.
Dentro de las pruebas de dureza más conocidas para materiales están las de Brinell, Rockwell , Vi cker s y de Knoop ; estas pruebas se basan en la resistencia a la deformación permanente o plástica (indentación) y se aplican por lo general a los metales y cerámicos. Los métodos de ensayo utilizados para los plásticos son similares a los utilizados para los metales; la principal diferencia es que debido a que los plásticos son viscoelásticos , deberá tenerse en cuenta una tolerancia para el creep y la recuperación dependiente del tiempo que se produce como resultado de la carga de indentación aplicada. Dentro de los ensayos de dureza para polímeros tenemos los de Vickers, Knoop, Rockwell, Barcol, IHRD y de Durómetro ; éste último, es un dispositivo que mide la deformación elástica del caucho y materiales flexibles parecidos. Para definir el ensayo de dureza que se va a realizar, se puede utilizar como referencia el rango de módulos de Young de los polímeros, como se muestra en la Tabla 3.1. TABLA 3.1. Elección del método de ensayo de dureza basado en el rango de módulos de Young de los polímeros.
3.4. Durómetros Shore Aunque existen muchos tipos, los dos tipos de durómetros más comunes usados para plásticos y elastómeros son el Shore tipo A y el Shore tipo D ; ellos difieren en la fuerza del resorte y de la geometría del indentador, como se muestra en la Figura 3.2. Debido al creep, las lecturas se deben tomar después de un intervalo de tiempo fijo. Valores de dureza típicos de algunos de los plásticos comunes medidos por diferentes métodos de ensayo se muestran en la Tabla 3.2. Para cada material, en general se puede encontrar un rango de durezas, dependiendo entre otros de la masa molecular, método de fabricación, composición y aplicación. Esto se muestra en la Tabla 3.3 donde se observan diferentes durezas para materiales a base de un mismo material sólo para un mismo proveedor (Elastollan ®).
Figura 3.2. Dos tipos de durómetro Shore, las longitudes están en mm.
TABLA 3.2. Algunos valores típicos de dureza para plásticos.
TABLA 3.3. Propiedades típicas y aplicaciones de los productos de Elastollan
®
3.5. La norma de ensayo ASTM D2240 - Standard Test Method for Rubber Property - Durometer Hardness Este método de ensayo cubre doce tipos de dispositivos de medición de la dureza de goma conocidas como durómetros: Tipos A, B, C, D, DO, E, H, O, OO, OOO, OOO-S y R. El procedimiento para la determinación de dureza por indentación de sustancias clasificadas como elastómeros termoplásticos, vulcanizado (termoestable) de caucho, materiales elastoméricos, materiales celulares, materiales de tipo gel, y algunos plásticos. El durómetro tipo A es empleado para materiales más blandos y el durómetro tipo D, para materiales más duros; el método permite medir tanto la penetración inicial, como la penetración después de un período de tiempo especificado, o ambas. Este método es un método empírico destinado principalmente a fines de control; no existe ninguna relación simple entre la dureza de penetración determinada por este método y cualquiera de las propiedades fundamentales del material ensayado. A continuación presentamos algunos de los aspectos más importantes que contempla esta norma:
3.5.1. APARATOS Y EQUIPO 3.5.1.1. Durómetro El durómetro está formado por los siguientes componentes: a) Pie prensador: debe tener un orificio de diámetro entre 2.5 y 3.2 mm concentrado por lo menos a 6 mm de cualquiera de las orillas. b) Penetrador: está formado por una varilla de acero templado, con un diámetro entre 15 y 1.40 mm y con la forma y dimensiones definidas en la figura 3.2.
3.5.1.2. Dispositivo indicador En el que se ve la extensión lograda por el punto del penetrador de graduaciones que fluctúan desde cero para una extensión completa (2.46 a 2.54 mm) hasta 100 para extensión cero. En la actualidad se pueden encontrar dispositivos indicadores analógicos o digitales
3.5.1.3. Resorte calibrado. Se utiliza para aplicar fuerza al penetrador, de acuerdo con las ecuaciones siguientes: Fuerza, g = 56 + 7.66 H a
..……….. (1)
Fuerza, g = 45.36 Hd
………… (2), Donde:
Ha = Lectura de dureza en un durómetro tipo A. Hd = Lectura de dureza en un durómetro tipo D.
3.5.2. PREPARACION DE LA MUESTRA 3.5.2.1. Espécimen de prueba El espécimen de prueba deberá tener un espesor mínimo de 6 mm a menos que se tenga la seguridad de obtener resultados idénticos con un espécimen de piezas superpuestas más delgadas para obtener el espesor necesario, pero las determinaciones efectuadas en tales especímenes, pueden no concordar con las efectuadas en especímenes de una sola pieza, pues las superficies de un espécimen pueden no tener un contacto completo. Las dimensiones laterales del espécimen, deberán ser tales que permitan mediciones a cuando menos 12 mm de cualquier orilla, a menos que se sepa que se obtienen idénticos resultados, cuando las mediciones se hacen a una distancia menor. La superficie del espécimen deberá ser plana, para permitir que el pie prensador tenga contacto con él, sobre una zona que tenga un radio de por lo menos 6 mm desde un punto del penetrador. En una superficie redondeada, irregular o áspera no podrá efectuarse una determinación adecuada de dureza.
3.5.2.2. Calibración del resorte El resorte puede calibrarse apoyando el durómetro en una posición vertical con la punta del penetrador descansando sobre un pequeño espaciador en el centro de uno de los platillos de la balanza, para evitar interferencia entre el pie prensador y el platillo. El espaciador deberá tener un pequeño vástago cilíndrico de aproximadamente 2.5 mm de altura y 1.25 mm de diámetro y deberá estar ligeramente ahuecado en la parte superior para acomodar la punta del penetrador. Balancea el peso del espaciador mediante una tara en el otro platillo opuesto de la balanza para igualar la fuerza del penetrador a varias lecturas de la escala. La fuerza medida, deberá ser igual a la fuerza calculada, ya sea por medio de la ecuación (1) ± 8 g ó de la ecuación (2) ± 45 g. Las balanzas de instrumentos utilizados para calibración, deberán ser capaces de medir o aplicar una fuerza en la punta del penetrador de 0.4 g para un durómetro de tipo A y 2.0 g para un durómetro de tipo D.
3.5.2.3. Acondicionamiento Las pruebas deberán efectuarse a 23 ± 2 °C, el durómetro y los especímenes deberán acondicionarse a la temperatura de prueba cuando menos durante 1 hora antes de la prueba para materiales cuya dureza no depende de la humedad relativa. Para materiales cuya dureza depende de la humanidad relativa, deberán acondicionarse los especímenes de la siguiente manera antes de la prueba. Los especímenes de más de 7 mm de espesor, deberán acondicionarse por 40 hrs. a 23 °C en un ambiente de 50 por cierto de humedad relativa. Debe haber suficiente circulación de aire alrededor de las especificaciones, para lo cual estos deberán colgarse adecuadamente, o colocarse en soportes apropiados.
3.5.3. PROCEDIMIENTO Se coloca el espécimen sobre una superficie horizontal dura. Se sostiene el durómetro en una posición vertical con la punta del penetrador a una distancia de por lo menos 12 mm de cualquier orilla a menos que ya se sepa que se obtienen iguales resultados, con el penetrador colocado a una distancia menor. Aplique el pie prensador al espécimen tan rápido como sea posible, paro sin golpearlo, conservando dicho pie paralelo a la superficie del espécimen. Aplique la presión necesaria para obtener un contacto uniforme entre el pie prensador y el espécimen. A menos que otra cosa se especifique, se lee la escala al instante en que el pie prensador este en contacto uniforme con el espécimen, a menos que el durómetro tenga un indicador máximo, en cuyo caso, se tomará la lectura máxima. Si se especifica una lectura después de un intervalo de tiempo, se mantendrá el pie prensador en contacto con el espécimen sin cambiar la posición o la presión y lea la escala después de ese período. Los durómetros que tienen un indicador máximo, no podrán utilizarse para obtener valores de dureza a varios intervalos de tiempo, ni para probar plásticos de vinilo, los cuales necesitan que se tomen las lecturas a los 15 segundos.
3.5.4.
REPETICION DE LA PRUEBA Podrán obtenerse resultados comparables al repetir una prueba, utilizando ya sea el soporte del durómetro o bien un peso centrado sobre el eje del prensador, o ambos, para aplicar el indentador al espécimen. Los pesos recomendados son de 1 kg para el durómetro tipo A y de 5 kg para el durómetro tipo D.
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1. Equipos y/o materiales
Durómetro automático marca Zwick/Roell 3105 de precisión 0,1. Indentador para ensayos de dureza Shore tipo A. Indentador para ensayos de dureza Shore tipo D. Pesa de 1 kg para el ensayo Shore tipo A. Pesa de 5 kg para el ensayo Shore tipo D. Cronómetro, en este caso como parte del durómetro automático. 1 muestra de Neopreno.
1 muestra de material desconocido, muestra “X”.
1 muestra de polietileno de alta densidad, HDPE. 1 muestra de polimetilmetacrilato, PMMA. Figura 4.3. Materiales y equipo para ensayos Shore tipo A.
Figura 4.4. Indentador y pesa de 5 kg para ensayos Shore tipo D .
4.2. Ensayo de dureza Shore tipo A Para determinar la dureza de la muestra de Neopreno y la muestra “X” se procedió según la norma ASTM D2240 – Shore A:
Se montó el durómetro, esto es, se agregó la pesa de 1 kg, se colocó el indentador para ensayos Shore tipo A en el durómetro y se programó el durómetro para mediciones de dureza Shore A, además del tiempo determinado ( 3s ) para la lectura de los datos. Se colocó la muestra sobre la base metálica, permitiendo que el durómetro baje libremente y que la aguja indentora esté en contacto con el espécimen, hasta obtener un contacto firme entre ellos. Se tomó la lectura de la dureza en un tiempo determinado, el dato se muestra de manera automática en el durómetro. Se efectuó las mediciones en cinco lugares diferentes cada vez en diferentes partes de la muestra. Se calculó la media aritmética de las lecturas obtenidas y se registró este valor como la dureza de la muestra. Figura 4.5. Ensayo de dureza Shore tipo A del neopreno (izquierda) y material desconocido (derecha)
4.3. Ensayo de dureza Shore tipo D Para determinar la dureza de las muestras de HDPE y PMMA se procedió según la norma ASTM D2240 – Shore D:
Se montó el durómetro, esto es, se agregó la pesa de 5 kg , se cambió el indentador para el ensayo Shore tipo D, y se programó para mediciones de dureza Shore D, además del tiempo determinado ( 3s ) para la lectura de los datos.
Se colocó la muestra sobre la base metálica, permitiendo que el durómetro baje libremente y que la aguja indentora esté en contacto con el espécimen, hasta obtener un contacto firme entre ellos. Se tomó la lectura de la dureza en un tiempo determinado, el dato se muestra de manera automática en el durómetro. Se efectuó las mediciones en cinco lugares diferentes cada vez en diferentes partes de la muestra. Se calculó la media aritmética de las lecturas obtenidas y se registró este valor como la dureza de la muestra. Figura 4.5. Ensayo de dureza Shore tipo D del HDPE (izquierda) y PMMA (derecha)
5. RESULTADOS EXPERIMENTALES 5.1. Ensayo de dureza Shore tipo A En la Tabla 5.4 se muestran los resultados obtenidos para las muestras de neopreno y material desconocido. TABLA 5.4. Resultados de los ensayos de dureza Shore tipo A
Muestra Neopreno Muestra X
Dureza Shore tipo A Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
Ensayo 4
Ensayo 5
Promedio
Desviación Estándar
59,1 66,9
61,6 66,8
62,4 66,7
59,2 67,4
59,8 67,3
60,4 67,0
1,5 0,3
5.2. Ensayo de dureza Shore tipo D En la Tabla 5.5 se muestran los resultados obtenidos para las muestras de polietileno de alta densidad (HDPE) y polimetilmetacrilato (PMMA). TABLA 5.5. Resultados de los ensayos de dureza Shore tipo D
Muestra HDPE PMMA
Dureza Shore tipo D Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
Ensayo 4
Ensayo 5
62,0 83,3
63,4 84,0
63,8 84,0
62,9 83,0
63,3 83,0
Promedio Desviación Estándar
63,1 83,5
0,7 0,5
6. ANALISIS Y DISCUSIONES 6.1. De los resultados del ensayo de dureza Shore tipo A, se encuentra que la muestra de material desconocido con dureza 67,0 ± 0,3 resulta más dura que la muestra de neopreno con una dureza de 60,4 ± 1,5. Dado que la profundidad de penetración está relacionada directamente con la rigidez, se deduce que el material desconocido es más rígido que la muestra de neopreno, lo cual deriva en que el modulo de Young también es mayor, teniendo siempre en cuenta que la relación tensión-deformación no necesariamente es lineal. 6.2. De los resultados del ensayo de dureza Shore tipo D, se encuentra que la muestra de PMMA con dureza 83,5 ± 0,5 resulta más dura que la muestra de HDPE con una dureza de 63,1 ± 0,7. De estos datos se puede predecir que el PMMA es un material más rígido que el HDPE. Los valores obtenidos en estos ensayos están relativamente cerca del valor de referencia encontrado en la literatura (ver tabla 3.2.), aunque se debe tener en cuenta que estos valores en realidad están dentro de un rango de durezas. 6.3. La desviación estándar de la muestra “X” es menor que la del Neopreno, por lo cual, partiendo del hecho de que ambos ensayos han sido realizados con el mismo operador y durómetro (el cual además, por ser totalmente automático y preciso (0,1) presenta buena repetibilidad) se concluye que la diferencia de lecturas se debe en gran parte a la uniformidad de la superficie del material indentada. Por otro lado, las desviaciones estándar de ambas muestras (PMMA y HDPE) son pequeñas y están en el mismo orden de magnitud, de esto se concluye que las superficies indentadas de ambas muestra son bastante uniformes. 6.4. No es posi ble determinar el material de la muestra”X” solamente con el valor de la dureza del material, como se observa en la tabla 3.3, cada material presenta un rango de valores de dureza dependiendo entre otras causas, del método de fabricación y composición, y el valor de dureza que se obtuvo de 67,0 ± 0.3 está dentro del rango de durezas de muchos elastómeros como por ejemplo el poliuretano-poliester C y S de la tabla 3.3 . Para determinar el tipo de material de la muestra, se puede complementar el resultado de la dureza con otras propiedades del material, tales como la resistencia a la tracción y
tenacidad, aunque esto de todos modos, no garantizará una buena predicción, Es necesario el uso de técnicas de caracterización más avanzadas para este análisis. Para complementar este ensayo, y poder determinar exactamente el material de la muestra”X”, se realizó una
caracterización mediante la técnica FTIR del material y se obtuvo que el espécimen es de poliuretano. Figura 6.6. Figura 6.6. (Izquierda) Caracterización de la muestra de material desconocido mediante la técnica FTIR. (Derecha) Curva FTIR característica del poliuretano.
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La dureza Shore tipo A de la muestra de neopreno es de 60,4 ± 1,5; mientras que la dureza Shore tipo A de la muestra de material desconocido, muestra ”X”, es de 67,0 ± 0,3. No es posible determinar el tipo de material de la muestra”X” solamente con el valor de la dureza, es necesario conocer otras propiedades mecánicas y/o usar técnicas de caracterización más avanzadas. La dureza Shore tipo D de la muestra de polietileno de alta densidad (HDPE) es de 63,1 ± 0,7; mientras que la dureza Shore tipo D de la muestra de polimetilmetacrilato (PMMA) es de 83,5 ± 0,5.
8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] [2] [3] [4]
S. Fakirov; Handbook of condensation thermoplastic elastomer- Part IV , Wiley-VCH, 2005. J. Walker; Elastomer Engineering Guide-James Walker , 2012. C.A. Harper; Modern Plastics Handbook , McGraw-Hill, 2000. Annual Book of ASTM , Standard Test Method for Rubber Property - Durometer Hardness D 2240, Standards, ASTM, 2010. [5] ASM Handbook , Volume 8 - Mechanical Testing and Evaluation, ASM, 2000. [6] M.P. Groover; Fundamentos de manufactura moderna-Capitulo 8: Polímeros, McGraw-Hill, 2007.
[7] J.E. Mark; Polymer data handbook , Oxford University Press, 1999. [8] D.L. Hertz, Jr. and A.C. Farinella; Shore A durometer and engineering properties, The
New York Rubber Group, 1998.
By M. Rojas
