CARACTERIZACIÓN DE RELAJACIÓN DE ESFUERZOS Y CREEP …

CARACTERIZACIÓN DE RELAJACIÓN DE ESFUERZOS Y CREEP DEL PVC REFORZADO CON FIBRA

DE CISCO DE CAFÉ

ÁLVARO ALFONSO ARENAS

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

Bogotá D.C., 2009

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CARACTERIZACIÓN DE RELAJACIÓN DE ESFUERZOS Y CREEP DEL PVC REFORZADO CON FIBRA

DE CISCO DE CAFÉ

ÁLVARO ALFONSO ARENAS

Proyecto de Grado en Ingeniería Mecánica

Asesor:

DR. ING. JORGE ALBERTO MEDINA PERILLA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

Bogotá D.C.

2009

3

A Dios

A mis padres y hermana por el apoyo incondicional

durante este proceso de formación.

4

Agradecimientos

A mis padres, hermana y amigos por la constante ayuda y preocupación que mostraron en el

desarrollo del proyecto.

Al profesor Jorge Medina por acceder a ser mi asesor y depositar su confianza para lograr el

desarrollo de éste proyecto de grado.

Al personal de laboratorio, Jimmy, Diana, Alex y Fabián por su paciencia, apoyo y amabilidad.

A Mauricio González por generar unos buenos fundamentos para el desarrollo de este proyecto.

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Contenido

1. Introducción ............................................................................................................... 11

2. Marco Conceptual....................................................................................................... 12

2.1 PVC .......................................................................................................................... 12

Generalidades............................................................................................................. 12

Historia ...................................................................................................................... 12

Producción ................................................................................................................. 12

2.2 Madera..................................................................................................................... 13

Estructura y Anatomía................................................................................................. 13

Constituyentes Químicos ............................................................................................. 13

Fuentes y Producción de Refuerzos de Madera............................................................. 13

Propiedades ............................................................................................................... 14

2.3 Creep ....................................................................................................................... 15

2.4 Relajación de Esfuerzos ............................................................................................. 16

2.5 Relación entre Crep Compliance y relajación de esfuerzos ........................................... 16

2.6 Tiempo de Respuesta del Material ............................................................................. 17

2.7 Principio de Superposición Tiempo‐Temperatura (TTS)................................................ 18

2.8 Análisis Dinámico Mecánico (DMA) ............................................................................ 19

Generalidades............................................................................................................. 19

DMA Multi‐Strain ........................................................................................................ 20

DMA Multi Frecuency Strain ........................................................................................ 20

DMA Creep ................................................................................................................. 20

3 Experimentación ......................................................................................................... 21

3.1 Materiales ................................................................................................................ 21

3.2 Diseño experimental ................................................................................................. 22

3.3 Procedimiento .......................................................................................................... 22

Mezcla de la formulación y la fibra ............................................................................... 22

Pre mezcla en equipo Brebender Plasticorder PLE 331 .................................................. 23

Molienda de compuesto.............................................................................................. 23

Moldeo por compresión .............................................................................................. 24

Obtención de muestras comerciales............................................................................. 25

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DMA Multi‐Strain ........................................................................................................ 25

DMA Multi Frecuency Strain ........................................................................................ 25

DMA Creep ................................................................................................................. 25

4 Resultados.................................................................................................................. 27

4.1 Linealidad ................................................................................................................. 27

4.2 Temperatura de Transición Vítrea......................................................................... 30

4.3 DMA Creep.......................................................................................................... 33

4.4 Tiempo de Respuesta........................................................................................... 36

4.5 DMA Relajación de Esfuerzos ............................................................................... 37

5 Análisis y Discusión ..................................................................................................... 40

6 Conclusiones .............................................................................................................. 43

7 Recomendaciones....................................................................................................... 44

8 Referencias................................................................................................................. 45

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Lista de Gráficas

Gráfica 1. Análisis termo gravimétrico para harina de madera de pino y fibras celulosas hechas de madera.

Gráfica 2. Curva % esfuerzo contra deformación. Compuesto 40% de peso en fibra a 30°C.


Gráfica 4. Porcentaje de fibra retenido en cada malla (González. 2008).

Gráfica 5. Zona lineal para Formulación PVC sin cisco de café.

Gráfica 6. Zona lineal para compuesto con 40% de peso en fibra.



Gráfica 9. Zona lineal para compuesto comercial 1.


Gráfica 11. Temperatura de transición vítrea para la formulación sin cisco de café

Gráfica 12. Temperatura de transición vítrea para el compuesto con 40% en peso de fibra.



Gráfica 15. Temperatura de transición vítrea para el compuesto comercial 1

Gráfica 16. Temperatura de transición vítrea para el compuesto comercial 2.

Gráfica 17. Creep Compliance a diferentes temperaturas para la formulación sin cisco de café.

Gráfica 18. Creep Compliance a diferentes temperaturas para la formulación con 40% en peso cisco de café.



Gráfica 21. Creep Compliance a diferentes temperaturas para la muestra comercial 1.


Gráfica 23. Módulo de relajación para la formulación sin cisco de café.

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Gráfica 24. Módulo de relajación para la formulación con 40% de contenido en peso de cisco de café.



Gráfica 27. Módulo de relajación para la muestra comercial 1.


Gráfica 29. Curvas maestras de Creep Compliance de la formulación sin cisco de café y con 40%

en peso de cisco de café.

Gráfica 30. Curvas maestras de Creep Compliance del compuesto con 40, 50 y 65% en peso de

cisco de café.

Gráfica 31. Curvas maestras de Creep Compliance del compuesto con 40, 50 y 65% en peso de

cisco de café y muestras comerciales 1 y 2.

Gráfica 32. Curvas maestras del módulo de relajación de esfuerzos de la formulación sin cisco de café y con 40, 50 y 65% en peso de cisco de café.

Gráfica 33. Curvas maestras del módulo de relajación de esfuerzos de la formulación con 50% en peso de cisco de café y muestras comerciales 1 y 2.

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Lista de Tablas

Tabla 1. Propiedades mecánicas de la madera y varios refuerzos.

Tabla 2. Composición de la formulación de PVC.

Tabla 3. Porcentaje de peso en fibra de cisco de café.

Tabla 4. Especificaciones técnicas del DMA Q800.

Tabla 5. Resumen de temperaturas de transición vítrea.

Tabla 6. Tiempo de respuesta de los materiales en minutos.

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Lista de Imágenes

Imagen 1. Relación módulo de almacenamiento y de pérdida

Imagen 2. Mezclador Waring de alta velocidad (González. 2008).

Imagen 3. Mezclador interno Brabender Plasticorder PLE 331 (González. 2008).

Imagen 4. Molino Condux.

Imagen 5. Prensa de moldeo por compresión DAKE y molde de probetas de impacto.

Imagen 6. Equipo Q800 de TA Intruments para ensayos DMA.

Imagen 7. Mordaza de flexión en 3 puntos.

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1. Introducción

Los materiales compuestos han demostrado ser una alternativa eficiente donde simplemente

las propiedades de un solo material no cumplen con todos los requerimientos de diseño. La combinación de materiales para la obtención de diversas propiedades es una excelente solución en muchos casos donde se requiere combinar las propiedades de dos o más

materiales para obtener lo mejor de ambos. Se ha demostrado que la incorporación de fibras de madera en matrices poliméricas de PVC mejora las propiedades del material (Klyosov.

2007).

Por ser la madera un producto de la naturaleza que se encuentra fácilmente, es de bajo costo.

El comportamiento de la madera es parecido al de un material polimérico en cuanto a que está conformado por polímeros naturales que son lignina, celulosa y hemicelulosas. Estos

componentes le dan una alta dureza con respecto a los polímeros provenientes del petróleo, un bajo peso y una alta absorción de humedad, lo que genera degradación y un gran cambio en las dimensiones de las fibras produciendo una gran variación en las propiedades. Es por

esto que se pretende reforzar el PVC con fibras de madera, en este caso cisco de café, puesto que le daría una mayor fuerza y dureza al PVC, y a su vez el PVC actuaría como un contenedor

de fibras evitando el aumento en la humedad y el deterioro de las propiedades en éstas.

Esta clase de compuestos es usada como reemplazo para elementos estructurales hechos de

madera, es por esto que se decidió evaluar las propiedades que se ven afectadas a largo plazo como lo son el Creep y la relajación de esfuerzos. La idea es mejorar estas propiedades para

obtener unos niveles de deformación menores en un tiempo prolongado. Dicho esto cabe anotar los objetivos de éste proyecto. El objetivo general es el de caracterizar el relajamiento de esfuerzos y Creep en compuestos de PVC y fibras de cisco de café. Para poder hacer esto se

debe ganar un conocimiento en el tema especialmente en comprender y utilizar el principio de superposición tiempo‐temperatura para ensayos de creep y relajación de esfuerzos en

materiales viscoelásticos. A partir de este entendimiento se pretende obtener las curvas maestras de creep y relajación de esfuerzos para una formulación de PVC sin cisco de café, un

compuesto con 3 diferentes composiciones de fibra y 2 muestras comerciales. Y por último poder comparar el compuesto con diferentes porcentajes de fibra de cisco de café con las dos

muestras comerciales y con la formulación sin cisco.

Para poder desarrollar el proyecto se planeó desarrollar un marco conceptual para poder entender los fenómenos físicos de Creep y de la relajación de esfuerzos en materiales

compuestos. Posteriormente se realización de probetas tipo impacto (modificadas) del compuesto PVC con diferentes porcentajes (40, 50 y 65%) de cisco de café. Una vez realizadas

las probetas se llevó a cabo la medición y análisis dinámico mecánico de propiedades (Creep Compliance a diferentes temperaturas 30, 50, 70 y 90°C y tan delta, módulo de

almacenamiento y módulo de pérdida a 35°C) para la obtención de las curvas maestras de Creep Compliance y relajación de esfuerzos del compuesto.

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2. Marco Conceptual

2.1 PVC

Generalidades El PVC es obtenido a partir de sal y petróleo. La sal sufre una electrolisis que produce clorina

Cl2, soda cáustica e hidrogeno (H). Mientras que el etileno viene del petróleo refinado en naphtha. Este etileno reacciona con la clorina producen el vinil clorina VCM (CH2=CHCl) el cual es polimerizado en PVC (CH2Cl‐CH2Cl).

Características: Baja estabilidad térmica, high melt viscosity, lo cual hace que necesite de aditivos para su procesamiento. Tiene Buena durabilidad y posee una característica muy

importante que es la que permite la obtención de muchas formulaciones dependiendo de la aplicación que se desea. Gracias a estas diversas formulaciones se puede obtener PVC rígido

(PVC‐U) o flexible (PVC‐P). Es el segundo commodity a nivel mundial después del polietileno.

Historia 1835: el monómero vinyl chlorine es descubierto por Regnault, pero no es polimerizado aun. 1872: el vinyl chlorine es estudiado por Baumann, especialmente el efecto de la luz solar, pues

se formaba una capa blanca y opaca en los elementos constituidos de este material al ser expuestos a esta.

1912‐1916: Fritz Klatte descubre la producción del PVC. 1931: BF Goodrich, Reid of Carbide y Carbon Chemicals dan usos al PVC. Descubren su

alternativa flexible y acuerada al ser calentado en presencia de un high boiling liquid. Esto permite el uso de ésteres de pftalato como plastificantes y de esta manera hacerlo procesable en productos suaves y flexibles.

II Guerra Mundial: se produce PVC en Alemania, Inglaterra y USA por tecnología de emulsión y suspensión. Es usado para el aislamiento de cables. También se añaden algunos estabilizantes

térmicos. Más tarde durante la Guerra, los alemanes lo usan con aditivos para tuberías, caucho,

celuloide, procesado por medio de calandrado, moldeo por compresión y extrusión. El PVC comercial es amorfo con alrededor de un 10% de cristalinidad y una temperatura de

transición vítrea de aproximadamente 70 a 80 grados centígrados. Tiene un tamaño de particular promedio de 100 a 150 nanómetros, sin embargo el rango está entre 50 y 250 nanómetros. El PVC tiene alrededor de 500 a 1500 número de unidades por polímero.

Producción Por suspensión alrededor de 85% de la producción y por emulsión y micro suspensión el 10%.

El PVC ha sido reforzado con fibras naturales tales como Madera, cuero, bagazo de café, entre otras.

En las muestras que han sido reforzadas con Madera se ha observado un aumento en la resistencia al envejecimiento por lo que permite que el PVC sea usado como remplazo para la

Madera. También se observó un aumento en el melt stregth y un mayor acabado superficial si es debidamente procesado. Con las fibras celulosas se ha observado un mejoramiento en las propiedades físicas y el la

viscosidad.

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Con arcillas de caolín calcinado se aumenta la resistencia a la abrasión y en las propiedades aislantes.

Extrusión monosillo: Se desarrolla el calor por medio de la fricción del material con las paredes de la extrusor y el

tornillo extrusor, este depende más en la presión del dado para obtener una Buena homogeneidad. El volumen va disminuyendo en relación 2 a 1 en el inicio y en el final

respectivamente.

2.2 Madera

Estructura y Anatomía

La madera tiene una anatomía que es compleja, porosa, fibrosa y anisotrópica. Puede ser clasificada en laderas suaves también llamadas gimnospermas como el pino, los abetos, el

cedro y las piceas, y en madreas duras o angiospermas como robles y arces. La madera está compuesta de celdas huecas y alargadas con forma de huso. Estas celdas están

generalmente dispuestas paralelamente a lo largo del tronco, por dentro están llenas de resinas o gomas y es esta combinación la que forma el tejido de la madera. La longitud de las

fibras está entre 1mm para maderas duras y de 3 a 8mm para suaves. Los diámetros de las fibras son aproximadamente de 15 a 45 µm.

Constituyentes Químicos

Las maderas están compuestas principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina. La celulosa es la que menos cambia en estructura química y es del 60 al 90% cristalina, se encuentra en

fase monoclínica o triclínica y es por esto que es la que provee la estabilidad y la rigidez en la madera. Mientras que la lignina es amorfa con unas conexiones entre grupos metíl e hidroxíl

con unidades sustituyentes de fenil‐propano y debido a que es más apolar que la celulosa, es la que actúa como adhesivo químico dentro y entre las fibras de celulosa. La hemicelulosa está

compuesta básicamente por azúcares como grasas ceras, resinas, proteínas, gomas y azúcares simples los cuales ayudan al metabolismo y suplen las reservas de energía, también ayudan contra los ataques microbianos que afectan el color, olor y el envejecimiento de la madera.

Fuentes y Producción de Refuerzos de Madera La obtención de fibras o de harina de madera puede ser básicamente llevada a cabo por dos

métodos, el primero mecánico y el otro químico. Cada uno de ellos influye en manera diferente las propiedades de la fibra obtenida. Las fibras provenientes de la madera son un

buen candidato para ser usadas como refuerzo en polímeros termoplásticos pues poseen una esfuerzo razonable y una buena relación de aspecto entre su longitud y el diámetro, lo que

permite una transferencia eficiente de esfuerzos y una buena adhesión. Existes fibras de madera y harina de madera. Ésta última es un conjunto de fibras con una relación de aspecto de entre 1 y 5, esta relación las hace aptas para algunas aplicaciones

donde se requiera bajo costo. Además la harina de madera es más fácil de introducir en la matriz polimérica por métodos convencionales de procesamiento de polímeros. El tamaño

normal en el uso como refuerzos de polímeros es de entre 180 y 480 µm. los pasos para obtener la harina de madera son dos; reducción de tamaño por medio de varios molinos y

clasificación de tamaño por “screening” o por aire. Las maderas más usadas son el pino, el roble y el arce.

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Propiedades Densidad: la celda de madera tiene una densidad de entre 1.44 y 1.50 g/cm3 mientras que la

madera sólida seca está entre 0.32 y 0.72 g/cm3 y la harina de madera entre 0.14 y 0.222 g/cm3. La densidad depende del contenido de humedad, tamaño y la especie. La densidad de

las fibras es mucho menor que el de la madera, por eso es difícil la introducción en los procesos de alta presión como moldeo por inyección. Para este proceso se necesita una

densidad de entre 1.44 y 1.50 g/m3. La madera posee una densidad menor a las fibras inorgánicas normalmente usadas con densidades de 2.5 a 2.8 g/cm3. Absorción de humedad: la madera posee la característica de tener una gran tendencia a

absorber humedad, esto se debe a la presencia del grupo hidroxíl. Cuando se aumenta la humedad se disminuye la posibilidad de que el enlace de hidrógeno entre el polímero y la

madera se lleve a cabo, afectando su funcionamiento mecánico. Esta absorción solo es por la superficie del relleno de madera, puesto que por dentro no se presenta ese fenómeno gracias

a la estructura que no deja que la humedad entre dentro de la fibras, de lo contrario el árbol de caería sin una estructura sólida en el tronco y demás partes. El porcentaje de humedad en las fibras y en la harina es de aproximadamente el 3 o 4 % en peso, esta humedad debe ser

retirada antes del procesamiento conjunto con el polímero. Si la madera quedase expuesta a un ambiente húmedo, podría absorber hasta un 30% de humedad en cuestión de horas,

generando así un aumento en el tamaño que puede ser reversible pero que es perjudicial al hacer un daño entre la unión de las fases o al producir agrietamientos dentro de la matriz.

Por eso es recomendable usar un porcentaje de harina de madera que se encuentre entre el 50 y el 65% en peso, esto con el fin de asegurar una buena encapsulación en l matriz y reducir

los efectos de la absorción de humedad. Durabilidad: por lo general existe una degradación debida a los rayos UV, el responsable por esta degradación es la lignina presente en la madera. Esta degradación genera un cambio de

color en el material. También puede haber hongos que no solo reducen las propiedades de apariencia, sino también en un caso extremo, entre 25 y 30% de humedad, podrían llegar a

atacar la madera reduciendo así el peso y el funcionamiento mecánico de una pieza. Térmicas: el refuerzo con fibras de madera está sujeto a una temperatura de procesamiento

menor a 200 °C, de lo contrario se degradarían las fibras. Esta relación se muestra en la gráfica 1. También se puede simular el coeficiente de expansión térmica con la siguiente ecuación:

· 10 Donde ρ es la densidad específica y A toma valores de 50 a 80 si es perpendicular a la dirección de la fibra o 8 a 10 sí es paralela.

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Gráfica 1. Análisis termo gravimétrico para harina de madera de

pino y fibras celulosas hechas de madera.

Mecánicas: dado que las fibras son anisotrópicas los son así también sus propiedades mecánicas. Las fibras poseen unas propiedades mayores a la madera como se muestra en la

tabla 1. El esfuerzo puede aumentar con la disminución de lignina. La harina de madera posee unas propiedades menores que las fibras debido a que es más fácil separar las fibras entre sí que romperlas. El tamaño también es un factor importante en cuanto a mejoramiento de

propiedades mecánicas, puesto que entre más grande es más difícil que la madera se adhiera bien a la matriz polimérica, por lo tanto las fibras tienen una mejor transferencia de esfuerzos

que las harinas de madera.

Material Módulo de Tensión [GPa] Esfuerzo de Tensión [MPa]

Madera de Pino 12‐27 (||) 100‐200 (||)

0.7‐1.4 ( ) 3‐5 ( )

Sulfato de Pino

Fibra Pulpa 5‐10 350‐700

Fibra Flax 26‐107 750‐1100

Fibra de Vidrio 76 1500

Fibra de Carbono 230 3200‐2500

Tabla 1. Propiedades mecánicas de la madera y varios refuerzos.

Donde || es en el plano paralelo a la fibra y en el perpendicular a la fibra.

2.3 Creep Los polímeros tienen un comportamiento viscoelástico. Este comportamiento quiere decir que

el material se deforma más rápido o más lentamente dependiendo de la velocidad de

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aplicación de la carga o la deformación. Esta propiedad hace que los materiales poliméricos se deformen ante una carga pequeña en un periodo de tiempo largo. A esto es a lo que se

denomina Creep, al comportamiento del material en largos periodos de tiempo ante cargas constantes. Existen varios métodos para evaluar esta propiedad, sin embargo muchas de ellas

requieren largos periodos de toma de datos, para poder obtener la deformación en función del tiempo ante una carga determinada. Hoy en día existen métodos más amables en cuanto a

tiempo y tecnología. Para este proyecto se usó el análisis dinámico mecánico, el cuál será explicado más adelante.

2.4 Relajación de Esfuerzos Es la propiedad que tiene el material para llegar a un estado de equilibrio frente a una carga dada. Para poder evaluar la relajación de esfuerzos dentro de un material, se somete a una

deformación conocida y se mide la fuerza que es requerida para mantener la deformación constante. Generalmente, cuando las propiedades del material son independientes del

tiempo, la relajación de esfuerzos puede ser hallada como el reciproco del Creep Compliance. Cuando las propiedades del material son tiempo‐dependientes es necesario aplicar la

transformada de Laplace, la cual permite llevar las ecuaciones, que modelan el fenómeno, de un espacio donde su solución es compleja, a otro donde la solución es más simple. Después de hallar la solución se debe aplicar la transformada inversa de Laplace para obtener la solución

en el espacio original. Dado que en este proyecto las propiedades evaluadas si son tiempo‐dependientes, en la sección siguiente se muestra cómo es la relación para éste caso.

2.5 Relación entre Crep Compliance y relajación de esfuerzos La relación entre el creep Compliance y la relajación de esfuerzos es una consecuencia directa

del principio de superposición de Boltzmann. Cuando las propiedades son independientes del tiempo se puede decir que el módulo de relajación es simplemente el inverso del creep

Compliance. Sin embargo, en este caso, las propiedades son dependientes del tiempo y por lo tanto hay que usar la transformada de Laplace para poder resolver la relación entre el Creep

Compliance (J) y el módulo de relajación de esfuerzos (G) a continuación.

1

Ahora aplicando el teorema de Borel para regresar al dominio del tiempo se obtiene que:

1 1 1 1

Finalmente aplicando la transformada inversa de Laplace se obtiene la relación entre la

relajación de esfuerzos y el Creep Compliance para casos en los que las variables son tiempo‐dependientes de la siguiente forma:

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Donde J es el creep Compliance, t es el tiempo, G0 es el módulo de relajación de esfuerzos y τ es el tiempo de respuesta del sistema. Este tiempo es hallado de las gráficas de deformación

contra tiempo explicado en la siguiente sección.

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2.6 Tiempo de Respuesta del Material Como se mencionó anteriormente el tiempo de respuesta del material debe obtenerse

experimentalmente para cada temperatura y para cada material a partir de la gráfica de deformación contra tiempo, obtenida por medio de la prueba DMA Creep. Dado que la

respuesta del material es de primer orden, pues no existe ningún cambio de curvatura y la pendiente es positiva en el origen, τ puede ser hallado de dos maneras diferentes. La primera

es hallando el punto donde la respuesta del material ha alcanzado un 63.6% de la respuesta final. Luego se determina el tiempo que le tomó en llegar desde el inicio hasta ese punto y ese es el tiempo de respuesta del material. El segundo método es trazando una tangente en el

origen de la respuesta hasta que se cruce con la línea horizontal de la respuesta final. Luego se desciende verticalmente y se determina el tiempo que le toma al material en llegar hasta ese

punto de intersección. A continuación se muestra como ejemplo el caso del compuesto con 40% de contenido en fibra a una temperatura de 30°C para el primer método (gráfica 2) y para

ilustrar el segundo se usó la respuesta obtenida del compuesto con 40% de contenido en fibra a 50°C (gráfica 3). Este procedimiento fue llevado a cabo para todos los materiales a las

diferentes temperaturas. Los resultados se tabulan en la sección de resultados 4.4.


El 63.6% del valor final es 0.008. El tiempo que le toma la señal entonces es de

aproximadamente 0.2 minutos.

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Por el método gráfico se obtiene que el tiempo de respuesta del material es de 0.3 minutos aproximadamente.

2.7 Principio de Superposición TiempoTemperatura (TTS) Debido a la naturaleza viscoelástica de los polímeros, exhiben un comportamiento durante la

deformación que es dependiente del tiempo (frecuencia) y la temperatura. Por ejemplo si un polímero es sometido a una carga constante, el módulo elástico del material va a disminuir

tras un periodo de tiempo, inclusive de varios órdenes de magnitud sí el material se acerca a la temperatura de transición vítrea. Esto ocurre porque el polímero bajo carga experimenta un re

arreglo molecular con el fin de minimizar los esfuerzos localizados. Por lo tanto, las mediciones de módulos (rigidez) realizados en cortos periodos de tiempo resultan en valores más altos

que las mediciones en tiempo largos. Éste comportamiento dependiente del tiempo sugeriría que para poder evaluar adecuadamente el funcionamiento del material para una aplicación específica, sería necesario evaluar el material bajo la temperatura y el tiempo real. Sin

embargo, con el uso de multifrecuencias y mediciones de temperatura acelerada y manejando los datos con la superposición teórica tiempo/temperatura, se pueden llevar a cabo

mediciones para obtener el comportamiento del material y poder proyectar las propiedades a largo término bajo diversas circunstancias.

Se ha demostrado que la información viscoelástica recolectada a una temperatura puede ser superpuesta a información a diferente temperatura simplemente moviendo una de las curvas

en el eje del tiempo y que, de ser necesario, también puede haber un corrimiento en menor escala en el eje de la deformación dada la variación en la temperatura. El principio de superposición está basado en la premisa de que los procesos relacionados con relajación

molecular y re‐arreglos ocurren a mayores tasas a mayores temperaturas.

Para poder aplicar el principio de TTS se debe tener en cuenta el principio de superposición de

Boltzmann, en el cual se explica que cuando dos o más esfuerzos actúan independientemente en un material, el resultado de las deformaciones es la suma lineal. Es por esto que se debe

asegurar, en lo posible, que el material a ser probado no haya sido sometido a esfuerzos

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previos o a deformaciones anteriores, para de esta forma obtener resultados aún más precisos.

Hay que tener en cuenta que para poder aplicar el principio se superposición tiempo temperatura es necesario evaluar el material dentro de la zona lineal viscoelástica, lo cual

asegura el cumplimiento del principio de superposición de Boltzmann y que las propiedades sean dependientes del tiempo y no del esfuerzo.

Otro factor importante para la experimentación y aplicación del principio TTS es el geométrico. Hay que procurar que las muestras tengan un sección transversal constante y que las caras opuestas de la probeta sean lo más paralelas posible. Dado que el esfuerzo aplicado depende

del área transversal se estaría variando el esfuerzo al variar el área. También hay que tener cuidado con la aplicación de la carga, la cual deberá ser en lo posible cuasi estática para evitar

efectos de inercia y no llegar a inducir efectos dinámicos en la muestra.

Una suposición importante que permite aplicar el principio TTS es la invariabilidad de la

densidad. Dado que en los polímeros el cambio de densidad es de alrededor de 0.3 gr/cm3 con una variación de temperatura ambiente a 300°C.

Al llevar a cabo el corrimiento de las curvas para la obtención de una curva maestra del

material a una temperatura de referencia, escogida casi siempre la de transición vítrea, se genera un factor de corrimiento aT, el cual está definido como:

log log log ó

Para la relación WLF (por Williams, Landel y Ferry) los valores de las constantes varían muy poco en los polímeros y cuando no se tiene información se usan los valores generales de

C1=17.4 y C2=51.6.

2.8 Análisis Dinámico Mecánico (DMA)

Generalidades El Análisis Dinámico Mecánico mide las propiedades mecánicas de los materiales como una función del tiempo, la temperatura y la frecuencia, al aplicar una fuerza oscilatoria a una

muestra y analizar la respuesta del material. Es importante saber cuál es la región lineal del material, puesto que si se sale de ese rango el instrumento no es capaz de producir las mediciones correctamente, debido a que al estar dentro de la viscosidad lineal la aplicación de

diferentes fuerzas no influye en las propiedades moleculares del material. Un concepto básico en el funcionamiento de éste instrumento es que ahora el estado de los materiales va a

depender no solo de la temperatura a la que se encuentre, sino también del tiempo, es decir de la velocidad con la que se aplique la carga o los esfuerzos. Este instrumento permite

controlar tanto esfuerzos como deformaciones, los cuales son aplicados de forma sinusoidal, permitiendo así la obtención de propiedades cada vez que un seno es aplicado, y como

consecuencia se logra hacer barridos tanto de temperatura como de frecuencia. La respuesta del material debe mostrar la misma forma, de lo contrario hay algo errado en el experimento. Se puede presentar un desfase entre la entrada y la salida. Si el desfase (δ) es de 0° es porque

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el material tiene un comportamiento visco elástico sólido, si es de 90° es líquido. La relación que existe entre el desfase y las propiedades del material es:

tan

Donde E’ es el módulo de almacenamiento de la variable medida, el cual está relacionado con

la parte elástica del material, y E’’ es el módulo de pérdida que se relaciona con la parte viscosa. Estos dos módulos permiten obtener un módulo complejo E* como se muestra en la

imagen 1:

Imagen 1. Relación módulo de almacenamiento y de pérdida.

Dado que la propiedad del material a medir es Creep Compliance, es bueno usar frecuencias bajas, puesto que a menores frecuencias se obtienen tiempos de predicción más largos,

puesto que la frecuencia está dada por 1/s.

DMA MultiStrain Durante esta prueba la temperatura y la frecuencia son mantenidas constantes mientras que

el esfuerzo y la deformación son variados. Permite obtener la temperatura de transición vítrea al graficar tan δ vs temperatura. Es usada básicamente para la determinación de la zona lineal visco elástica (LVR).

DMA Multi Frecuency Strain Este modo de operación del aparato se usa para evaluar las propiedades viscoelásticas del material, bien sea a una frecuencia dada o con múltiples frecuencias, variando la temperatura

para poder hallar las propiedades del material dependientes no solo de la frecuencia, sino también de varias temperaturas. Al aplicar este método se puede hallar la temperatura de transición vítrea del material.

DMA Creep Se toman mediciones de la deformación como función del tiempo y la temperatura mientras el esfuerzo es mantenido constante. Se puede aplicar el principio de superposición tiempo

temperatura para poder predecir el comportamiento del material en el tiempo. Esto se logra escaneando varias frecuencias mientras la temperatura es mantenida constante.se debe

seleccionar una temperatura de referencia para poder hacer la superposición y obtener la curva maestra de Creep Compliance para el material a la temperatura de referencia, el cual está definido como:

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3 Experimentación

Este capítulo consta de la descripción de la metodología empleada en el desarrollo del

proyecto. En la primera parte se detallan los materiales utilizados y se resaltan algunas características. En la segunda parte se explica el diseño experimental. Y por último se aclara el procedimiento llevado a cabo en las fases del proyecto.

3.1 Materiales Para el desarrollo del proyecto se utilizó la formulación de PVC y las fibras ya caracterizadas en

el proyecto MAECO (González, M). Las fibras son provenientes de la trilladora ubicada en la ciudad de Bogotá Cundicafé. Y la formulación de PVC se describe en la tabla 2. El resultado de

la caracterización de la fibra se muestra en la gráfica 4 y fue llevada a cabo en el equipo Ro‐Tap por un periodo de 10 minutos mediante los tamices 20, 40, 60, 100 y 120 de la serie Tyler

(González, M).

FORMULACIÓN

Tipo PCR Resina K=66 ‐ Estabilizador Térmico TM‐691 4 Lubricante Interno Estearato de Calcio 0,5 Lubricante Externo Cera Polietilénica 0,15 Ayudas para Proceso Paraloid K120D 3

Tabla 2. Composición de la formulación de PVC.

La resina homopolímero K=66 es de mediano peso molecular y está disponible comercialmente en Colombia (González, M).

Gráfica 4. Porcentaje de fibra retenido en cada malla (González, M).

El estabilizador térmico usado en la formulación (TM‐691) también es comercial de la casa

Rohm & Haas el cuál fue incorporado, como se muestra en la tabla, en una cantidad de 4 partes por 100 de resina. La cera polietilénica es usada como lubricante estearato de calcio

22

como lubricante interno y adicionalmente una ayuda de procesos Paraloid K120D de la casa Rohm & Haas (González, M).

3.2 Diseño experimental Para obtener las probetas de impacto necesarias para llevar a cabo las pruebas de DMA

correspondientes de obtuvo en primera instancia la formulación de PVC descrita anteriormente. Esta formulación se mantuvo igual para los tres diferentes compuestos con

diferente porcentaje de fibra. Una vez obtenida la resina de PVC se adicionó la fibra de cisco de café con los porcentajes en peso mostrados en la tabla 3.

Porcentajes en Peso Formulación Fibra

40 60 50 50

60 40 Tabla 3. Porcentaje de peso en fibra de cisco de café.

Una vez obtenida la mezcla del compuesto fue premezclada en el equipo Brabender Plasticorder PLE 331 manteniendo las condiciones constantes para los tres diferentes

compuestos, para luego ser molidos de nuevo y obtener el material granulado.

Una vez granulado el material se procesó con igual condiciones de carga y temperatura en la

máquina de molde por compresión DAKE, obteniendo probetas de impacto las cuales fueron modificadas únicamente en longitud para que fueran apropiadas para los ensayos

correspondientes de DMA.

3.3 Procedimiento A continuación se describen en detalle los procesos llevados a cabo para la obtención de las probetas y los parámetros utilizados en las pruebas de DMA Multi‐Strain y DMA Creep. El procedimiento de la obtención de las probetas de impacto fue llevado a cabo según el

procedimiento del proyecto MAECO (González, M).

Mezcla de la formulación y la fibra El mezclado de la formulación de PVC fue realizado previo a la mezcla con la fibra de cisco de

café. Esta mezcla se realizó en el mezclador de alta velocidad Waring mostrado en la imagen 2 por periodos de 10 segundos cada vez que se agregaba uno de los componentes. La mayor cantidad de resina usada fue 200 gr para asegurar un mezclado más homogéneo. Una vez

obtenida la mezcla de la formulación se le agregó la fibra de café teniendo en cuanta los porcentajes descritos en la sección anterior.

23

Imagen 2. Mezclador Waring de alta velocidad (González,M).

Antes de la mezcla con la formulación, la fibra de cisco de café, llevo un proceso de secado por 24 horas a una temperatura de 103°C con el fin de remover la humedad presente y garantizar

la conservación de las propiedades que se ven afectadas por el porcentaje de humedad presente en las fibras.

Pre mezcla en equipo Brebender Plasticorder PLE 331 Se realizó ésta pre mezcla a fin de preparar el compuesto con diferentes contenido de fibra para la obtención de las probetas de impacto por moldeo por compresión. La mezcla seca se

procesó a una temperatura de 180°C y una velocidad de mezcla de 50 rpm, cada mezcla se realizó con 60 gr de mezcla seca. A continuación se muestra el equipo utilizado en la imagen 3.

Imagen 3. Mezclador interno Brabender Plasticorder PLE 331 (González, M).

Molienda de compuesto Para obtener el material en una forma granulada se molió en el equipo Condux disponible en el

laboratorio CIPP de la Universidad de los Andes. Esto con el fin de poder poner el material

24

dentro de los moldes para moldeo por compresión. El molino Condux se muestra en la imagen 4 a continuación.

Imagen 4. Molino Condux.

Moldeo por compresión Las probetas de impacto fueron realizadas a través de moldeo por compresión en la prensa hidráulica DAKE, la cual se muestra en la imagen 5. La temperatura de procesamiento fue de

190°C con un tiempo de acondicionamiento de 6 minutos (sin carga) y 1 minuto para la aplicación de la carga de 60.000 psi. El molde que se utilizó también se muestra en la imagen 5.

Posteriormente se modificó la longitud de las probetas a 35mm para poder realizar las pruebas DMA.

Imagen 5. Prensa de moldeo por compresión DAKE y molde de probetas de impacto.

25

Obtención de muestras comerciales Para la obtención de las probetas de las muestras comerciales, se corto directamente de las muestras obtenidas en partes donde el espesor era adecuado para las pruebas de DMA (entre

3 y 9 mm) con longitudes de 35mm y anchos variables (entre 5 y 7 mm) según la disponibilidad de la muestra. El contenido de fibra en estas muestras es de 50% en peso.

DMA MultiStrain El instrumento de Análisis Dinámico Mecánico Q800 incorpora una tecnología única para dar el

mejor rendimiento, versatilidad y fácil operación. Tiene un amplio rango de temperatura (‐150 a 600°C) y provee múltiples modos de operación incluyendo cantiléver simple o doble y flexión

de 3 puntos, tensión, compresión y cortante. Las abrazaderas son calibradas individualmente para una mayor precisión en los datos. Está diseñada más que todo para sólidos, tanto suaves como rígidos. Esta prueba se llevo a cabo para obtener la temperatura de transición vítrea del

material y para verificar la región de visco‐elasticidad lineal. La amplitud usada en la señal de excitación fue de 10μm, con una frecuencia de 1Hz, a una temperatura de 35°C. En la imagen 6

a continuación se muestra el equipo para pruebas de DMA utilizado.

Imagen 6. Equipo Q800 de TA Intruments para ensayos DMA.

DMA Multi Frecuency Strain Se uso éste método con una variación en la temperatura con una rampa de 3°C por minuto comenzando a temperatura ambiente hasta 100°C. Se usó una amplitud de 10 µm y una

precarga de 0.1N. Se dejo estabilizar la muestra por un periodo de 5 minutos.

DMA Creep Los ensayos de DMA Creep para obtener las curvas de Creep Compliance fueron llevadas a cabo a cuatro diferentes temperaturas (30, 50, 70 y 90°C), tomando como referencia la

temperatura de 30°C dada su cercanía con la temperatura de transición vítrea de los materiales. La amplitud usada en la señal de excitación fue de 10 μm, con una frecuencia de

1Hz y en esfuerzo de 1 MPa. También se usó una precarga de 0.1 N para asegurar el contacto de las mordazas con la probeta durante las pruebas. Se sometieron las probetas a un tiempo de establecimiento de 5 minutos para asegurar la homogeneidad de temperatura a lo largo de

la probeta. Y los tiempos de Crep Compliance y Creep Recovery fueron de 10 minutos cada

26

uno. Algunos de estos tiempos fueron reducidos dependiendo del primer resultado para reducir el tiempo de las pruebas.

En la tabla 4 a continuación se muestran las especificaciones técnicas del instrumento.

Tabla 4. Especificaciones técnicas del DMA Q800.

El tipo de abrazadera para realizar flexión en 3 puntos se muestra en la imagen 7 a

continuación:

Imagen 7. Mordaza de flexión en 3 puntos.

Los resultados que se obtienen de estos ensayos son gráficos de Creep Compliance contra el tiempo, ambos en escala logarítmica. A partir de esas gráficas se puede llegar a predecir el comportamiento del material en periodos cortos de tiempo, es por esto que después de usa el

principio de superposición tiempo temperatura, para poder extender el periodo de predicción del material.

27

4 Resultados

A continuación se muestran los resultados obtenidos en este proyecto. Primero se presentan

los resultados de linealidad y de temperatura de transición vítrea, seguidos por los resultados de los ensayos DMA Creep para el PVC sin cisco de café, el compuesto con diferente porcentaje de fibra de cisco de café y las dos muestras comerciales. Y por último se muestran

los resultados de relajación de esfuerzos en el mismo orden que los de DMA Creep.

4.1 Linealidad Se realizó la prueba de DMA Multi‐Strain para determinar la zona de comportamiento lineal (LVR) de la formulación de PVC sin cisco de café, para los tres compuestos de PVC con

diferente contenido de fibra y para las dos muestras comerciales. Esta zona se halla a partir de la gráfica de amplitud contra módulo de almacenamiento con el fin de poder determinar la

amplitud a usar en las pruebas posteriores. Los resultados se muestran a continuación.

Gráfica 5. Zona lineal para Formulación PVC sin cisco de café.

28



29



30


Por consiguiente se decidió realizar las siguientes pruebas con una amplitud de 10µm, debido a que los diferentes materiales a evaluar tienen un comportamiento lineal en esa amplitud.

4.2 Temperatura de Transición Vítrea A continuación se presentan las figuras de Tan δ contra temperatura, obtenidas a partir de los ensayos de DMA Multi Frecuency Strain explicado anteriormente (sección 3.3), para poder

definir donde se encuentra la temperatura de transición vítrea de la formulación, los compuestos y las muestras comerciales. La temperatura de transición vítrea es aquella donde

Tan Delta muestra el pico más alto.

Gráfica 11. Temperatura de transición vítrea para la formulación sin cisco de café.

31



32



33


En la tabla 5 a continuación se muestran las diferentes temperaturas de transición vítrea de

todos los materiales estudiados.

Material Tg (°C)

PVC 85 40% 80

50% 81 65% 79

C1 78 C2 79

Tabla 5. Resumen de temperaturas de transición vítrea.

4.3 DMA Creep En esta sección se presentan las gráficas que contienen la información de Creep Compliance

contra el tiempo. Se observan las diferentes curvas del material dependiendo de la temperatura para posteriormente aplicar el principio se superposición tiempo temperatura y de esa forma obtener las curvas maestras de los materiales.

34

Gráfica 17. Creep Compliance a diferentes temperaturas para la formulación sin cisco de

café.


1,00E‐10

1,00E‐09

1,00E‐08

1,00E‐07

1,00 10,00

Cree

p Co

mpliance (m

2 /N)

Tiempo (min)

0% wt Creep Compliance (m2/N)

30°C

50°C

70°C

90°C

1,00E‐11

1,00E‐10

1,00E‐09

1,00E‐08

1,00 10,00 100,00

Creep Compliance (m

2 /N)

Tiempo (min)


30°C

50°C

70°C

90°C

35

Gráfica 19. Creep Compliance a diferentes temperaturas para la formulación con 50% en

peso cisco de café.


1,00E‐11

1,00E‐10

1,00E‐09

1,00E‐08

1,00E‐07

1,00 10,00 100,00

Creep Compliance (m

2 /N)

Tiempo (min)


30°C

50°C

70°C

90°C

1,00E‐12

1,00E‐11

1,00E‐10

1,00E‐09

1,00E‐08

1,00 10,00 100,00

Creep Copm

pliance (m

2 /N)

Tiempo (min)


30°C

50°C

70°C

90°C

36



4.4 Tiempo de Respuesta En la tabla 6. a continuación se muestran los resultados obtenidos para los diferentes tiempos

de respuesta a diferente temperatura de los materiales, como se explicó en la sección 2.6.

Temperatura [°C] Material 30 50 70 90

PVC 0.2 0.2 0.3 0.2 40% de fibra 0.2 0.3 0.3 0.2

50% de fibra 0.3 0.4 0.4 0.3 65% de fibra 0.2 0.3 0.4 0.3

Muestra comercial 1 0.3 0.3 0.2 0.2 Muestra comercial 2 0.1 0.4 0.3 0.2

Tabla 6. Tiempo de respuesta de los materiales en minutos.

1,00E‐11

1,00E‐10

1,00E‐09

1,00E‐08

1,00 10,00 100,00Creep Compliance (m

2 /N)

Tiempo (min)

C1 Creep Compliance (m2/N)

30°C

50°C

70°C

90°C

1,00E‐10

1,00E‐09

1,00E‐08

1,00E‐07

1,00 10,00 100,00

Creep Compliance (m

2 /N)

Tiempo (min)

C2 Creep Compliance (m2/N)

30°C

70°C

90°C

37

4.5 DMA Relajación de Esfuerzos En esta parte se presentan los resultados obtenidos del módulo de relajación de esfuerzos en

los diferentes materiales, aplicando la ecuación obtenida en la sección 2.5.

11

Gráfica 23. Módulo de relajación para la formulación sin cisco de café.


1,00E+07

1,00E+08

1,00E+09

1,00E+10

1,00 10,00

Mód

ulo de

Relajación (N/m

2 )

Tiempo (min)

0% wt Módulo de Relajación (N/m2)

30°C

50°C

70°C

90°C

0,00E+00

2,00E+09

4,00E+09

6,00E+09

8,00E+09

1,00E+10

1,20E+10

1,40E+10

1,00 10,00 100,00

Módulo de

Relajación (N/m

2 N)

Tiempo (min)


30°C

50°C

70°C

90°C

38

Gráfica 25. Módulo de relajación para la formulación con 50% de contenido en peso de cisco

de café.


1,00E+07

1,00E+08

1,00E+09

1,00E+10

1,00E+11

1,00 10,00 100,00

Módulo de

Relajación (N/m

2)

Tiempo (min)


30°C

50°C

70°C

90°C

1,00E+08

1,00E+09

1,00E+10

1,00E+11

1,00E+12

1,00 10,00 100,00

Módulo de

Relajación (N/m

2 )

Tiempo (min)


30°C

50°C

70°C

90°C

39



1,00E+08

1,00E+09

1,00E+10

1,00E+11

1,00 10,00 100,00

Módulo de

Relajación (N/m

2 )

Tiempo (min)

C1 Módulo de Relajación (N/m2)

30°C

50°C

70°C

90°C

1,00E+07

1,00E+08

1,00E+09

1,00E+10

1,00 10,00 100,00

Módulo de

Relajación (N/m

2 )

Tiempo (min)

C2 Módulo de Relajación (N/m2)

30°C

70°C

90°C

40

5 Análisis y Discusión

A continuación se muestran los resultados después de haber realizado el desplazamiento

siguiendo el principio de superposición tiempo temperatura para los compuestos, tanto para Creep Compliance como para el módulo de relajación de esfuerzos.

Como se muestra en la tabla 5, la temperatura de transición vítrea mejora con la adición de

fibra, sin embargo entre más fibra se añade, la temperatura de transición vítrea va disminuyendo.

Primero se va a comparar la formulación de PVC sin cisco de café con el compuesto de porcentaje en peso de cisco de café más bajo (40%) para verificar el mejoramiento del Creep

Compliance.

Gráfica 29. Curvas maestras de Creep Compliance de la formulación sin cisco de café y con

40% en peso de cisco de café.

Se puede observar un incremento en el tiempo para el compuesto y un decremento en el Creep Compliance, esto quiere decir que en un mayor tiempo, el compuesto se deforma

menos dada una condición de carga igual. El incremento en el tiempo es de 4 órdenes de magnitud, lo que implica un tiempo casi 10000 veces mayor para llegar a un estado de

deformación igual al de la formulación sin fibra.

En la gráfica 28 se ven los resultados obtenidos para Creep Compliance de los compuestos de

PVC con porcentaje de fibra de cisco de café en 40, 50 y 65% en peso. Se puede apreciar como a medida que se aumenta el contenido en fibra se desplazan las curvas hacia la derecha y hacia

abajo, implicando un mejoramiento del Creep Compliance, como se explicó anteriormente en

1,00E‐11

1,00E‐10

1,00E‐09

1,00E‐08

1,00E‐07

1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07

Creep Compliance [m

^2/N

]

Tiempo [min]

Creep Compliance [m^2/N]

0% wt

40% wt

41

el caso de la formulación de PVC sin cisco y el compuesto con 40% en peso de fibra de cisco de café.

Gráfica 30. Curvas maestras de Creep Compliance del compuesto con 40, 50 y 65% en peso de cisco de café.

En la gráfica 29 se puede ve la comparación de los compuestos realizados con las dos muestras comerciales, se puede ver que las muestras se comportan parecidas al compuesto que tiene

50% en peso de fibra de cisco de café.

0,00E+00

5,00E‐10

1,00E‐09

1,50E‐09

2,00E‐09

2,50E‐09

3,00E‐09

3,50E‐09

4,00E‐09

4,50E‐09

‐1,00E+06 0,00E+00 1,00E+06 2,00E+06 3,00E+06 4,00E+06 5,00E+06 6,00E+06Creep Co

mpliance [m

^2/N

]

Tiempo [min]


40% wt

50% wt

65% wt

0,00E+00

1,00E‐09

2,00E‐09

3,00E‐09

4,00E‐09

5,00E‐09

6,00E‐09

‐2,00E+06 0,00E+00 2,00E+06 4,00E+06 6,00E+06

Creep Co

mpliance

[m^2/N

]

Tiempo [min]


40% wt

50% wt

65% wt

C1

C2

42

Gráfica 31. Curvas maestras de Creep Compliance del compuesto con 40, 50 y 65% en peso de cisco de café y muestras comerciales 1 y 2.

En cuanto a relajación de esfuerzos se puede ver como el compuesto con mayor contenido de fibra llega en un menor tiempo a un estado de esfuerzos igual al de los otros dos compuestos

(40 y 50% de peso en fibra). Sin embargo se observa que la formulación tiene un tiempo aún menor con respecto al de los compuestos.

Gráfica 32. Curvas maestras del módulo de relajación de esfuerzos de la formulación sin cisco de café y con 40, 50 y 65% en peso de cisco de café.

En la gráfica 31 se puede apreciar el comportamiento de las muestras comerciales y el

compuesto con 50% de peso en fibra, se puede ver que una vez más es el más parecido entre los 3 compuestos realizados.

Gráfica 33. Curvas maestras del módulo de relajación de esfuerzos de la formulación con

50% en peso de cisco de café y muestras comerciales 1 y 2.

1,00E+07

1,00E+08

1,00E+09

1,00E+10

1,00E+11

1,00E‐01 1,00E+01 1,00E+03 1,00E+05 1,00E+07

Relajación de

Esfuerzos [N/m

2 ]

Tiempo [min]

Relajación de Esfuerzos [N/m2]

0% wt

40% wt

50% wt

65% wt

1,00E+07

1,00E+08

1,00E+09

1,00E+10

1,00E‐01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05Relajación de

Esfuerzos [N/m

2 ]

Tiempo [min]

Relajación de Esfuerzos [N/m2]

50% wt

C1

C2

43

6 Conclusiones

Con una adición de peso en fibra de cisco de café se obtiene un mejor comportamiento del

compuesto frente a cargas prolongadas. Con el 65% de peso en fibra se aumenta en 6.000.000 veces el tiempo que tarda el material sin fibra en llegar a una deformación dada.

La relajación de esfuerzos disminuye con el aumento de fibra, sin embargo al aumentar el

porcentaje de fibra en peso se observa una relajación más rápida.

Después de comparar el comportamiento de los compuestos con la formulación sin fibra y las

dos muestras comerciales se llegó a la conclusión de que las dos muestras comerciales tienen un comportamiento (creep y relajación de esfuerzos) muy parecido al de la formulación con

50% de peso en fibra.

44

7 Recomendaciones

Hay que tener cuidado en la mezcla de los productos secos, una menor cantidad de mezcla

garantiza una mejor homogeneidad en el compuesto final. Un tiempo prolongado de mezcla puede implicar la degradación de la resina dada la alta velocidad de mezcla.

También hay que garantizar el secado de las fibras de cisco de café para retirar el mayor

porcentaje de humedad posible, con cuidado en la temperatura para no llegar a degradar la fibra. Así se podría garantizar unas mejores propiedades mecánicas del material y una

adhesión fibra‐matriz más homogénea.

Una geometría homogénea de las probetas para garantizar un área transversal lo más

constante posible y obtener unos mejores resultados en las pruebas de DMA. También hay que asegurarse de remover correctamente la rebaba dejada en el proceso de moldeo por

compresión.

Realizar pruebas aún más extensivas a temperaturas intermedias (entre 30 y 90°C) para verificar en su totalidad las gráficas obtenidas por el principio de superposición tiempo‐

temperatura. Y tener cuidado al correr las gráficas horizontalmente pues hay que recordar que la escala de tiempo es logarítmica y un error en el corrimiento podría implicar una

interpretación de resultados completamente diferente y errónea.

Controlar la frecuencia en la toma de datos para obtener unas curvas más completas y poder

observar detalladamente el comportamiento del material.

45

8 Referencias

Aklonis, John. Macknight, William. Introduction to Polymer Viscoelasticity. Wiley‐Interscience.

1983 Avella, Mauricio. Poly(3‐hydroxylbutyrate‐co‐hydroxyvalerate)‐Based Biocomposites Reinforced

with Kenaf Fibers. Wiley‐Interscience. 2006

Birley, Arthur W. Physics of Plastic: Processing,Properties, and Materials Engineering. 1992

Brinson, Hal. Polymer Engineering Science and Viscoelasticity. Springer. 2008

Gomez, Luis. Engineering with rigid PVC: Processability and Applications. 1984 González, Mauricio. Desarrollo de Compuestos de Matriz Polimérica de PVC Reforzados con

Fibras de Cisco de Café para la Producción de Perfiles por Extrusión. 2008

Grellmann, Wolfgang. Polymer Testing. Hanser. 2001

Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación. Plásticos. 1992

Klyosov, Anatole. Wood Plastic Composites. Wiley‐Interscience. 2007 Matsuoka, Shiro. Relaxation Phenomena in Polymers. Hanser. 1992

Merchán, Julie. Implementación de un Absorvedor de Oxígeno en Película para Empaque

Activo. 2006

Oksman Niska, Kristiina. Sain, Mohini. Wood Polymer Composites. Woodhead Publishing Limited. 2008

Osswald, Tim. Menges, Georg. Material Science of Polymer for Engineers. Hanser. 1995

Patrick, S. PVC Compounds and Processing. Rapra Technology Ltd. 2004

Rauwendaal, Chris. Polymer Extrusión. 2001

Rodolfo Junior, Antonio. Tecnología do PVC. Braskem. 2006

TA Instruments. Recuperado el 14 de abril de 2009 de http://www.tainstruments.com/product.aspx?id=12&n=1&siteid=11

TA Instruments. Recuperado el 14 de abril de 2009 de http://www.tainstruments.com/main.aspx?n=2&id=181&main_id=321&siteid=11

46

Tadmor, Zehev. Principles of Polymer P rocessing. Wiley‐Interscience . 2006

White, James Lindsay. Screw Extrusion: Science and Technology. 2003

Wilkes, Charles E. PVC Handbook. Hanser. 2005

Wool, R & Sun, X. Bio.Based Polymers and Composites. 2005. Elsevier.

Normas Técnicas

America Society for Testing Materials. Standard Test for Tensile, Compressive and Flexural Creep and Creep‐Rupture of Plastics. D 2990

America Society for Testing Materials. Standard Test for Tensile Properties of Fiber Reinforced Polymer Matrix Composite Bars. D 7205

America Society for Testing Materials. Standard Test for Tensile Creep Rupture of Fiber

Reinforced Polymer Matrix Composite Bars. D 7337

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