41
CAPÍTULO IV ANÁLISIS DE RESULTADOS
CAPITULO IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS
1. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS DATOS Y RESULTADOS
En el presente capitulo se discuten y explican los resultados obtenidos en
la investigación, dividida en 3 fases, en las cuales se logran desarrollar los
objetivos específicos en su totalidad, y de esta manera dar cumplimiento al
objetivo general de la investigación.
1.1. DESARROLLO DE LAS FASES
1.1.1. FASE I: ENSAYOS (Preparación de muestras, optimización de
parámetros de moldeo y ensayos de tracción a muestras no tratadas)
En esta fase se procedió a realizar las pruebas de laboratorio a ambos
polietilenos, y a su vez especificar la manera de creación de las probetas,
más detalladamente, determinar la temperatura y el tiempo en el cual éstas
estarían en el horno para su mejor conformación estructural.
Con esta finalidad se procedió a introducir el polietileno dentro de un molde
de aluminio previamente mecanizado, el cual se utilizó para la preparación
de probetas con dimensiones de 78 mm de longitud, 18 mm de ancho y 2
43
mm de espesor.Posteriormente , las mismas se introdujeron dentro del horno,
variando tiempo y temperatura, con el propósito de obtener las condiciones
más óptimas para tener como resultado una probeta homogénea y uniforme.
En primera instancia se experimentó con el polietileno 2908 de alta densidad,
el cual fue sometido a 20 min y a 190°C, en esta ocasión la probeta
resultante no se fundió correctamente dejando las perlas de polietileno
iníciales casi intactas (Ver Foto 4).Por esta razón se procedió a modificar
ambos factores, tiempo y temperatura. Al utilizar un tiempo de 20 min
y210°C, se obtuvo una probeta consistente pero con formación de grandes
burbujas, por lo cual, se decidió cambiar nuevamente las variables, esta vez
a 20 min y 200°C, donde se obtuvo una muestra más homogénea y uniforme,
todo esto determinado mediante observación directa.
Luego de determinar los parámetros del polietileno 2908 se procedió a
realizar el mismo procedimiento con el polietileno lineal 11PG1 de baja
densidad, inicialmente manteniendo la temperatura a 200°C y el tiempo se
modificó a 25 min, resultando así una probeta fundida correctamente pero
con formación de grandes burbujas por lo cual se decidió variar el tiempo a
20 min donde se obtuvo una probeta con características más aceptables.De
este modo se establecieron los parámetros correspondientes de temperatura
y tiempo en 200°C y 20min para ambos polietilenos.
Posteriormente se procedió a la preparaciónde 12 probetas de cada
polietileno, dando un total de 24 probetas, las cuales fueron utilizadas para
44
los ensayos, distribuyéndose del siguiente modo:
• Se utilizaron tres (03) probetas del polietileno 2908 y tres (03) probetas del
polietileno 11PG1 para los ensayos de tracción de control (muestras no
tratadas térmicamente).
• Se sometieron tres (03) probetas del polietileno 2908 y tres (03) probetas
del polietileno 11PG1 para cada condición de envejecimiento térmico, a
100°C por una (1) hora, dos(2) horas y tres(3) horas.
Luego de realizado los ensayos de tracción pertinentes y obtenidos los
resultados, se observó que el comportamiento mecánico obtenido es
reproducible, lo cual se explicará más detalladamente en las siguientes fases
de este capítulo. Por consiguiente se concluye que el uso de tres probetas
por cada polietileno es una muestra representativa para el resto de la
investigación.
En tal sentido se realizó una evaluación de los parámetros de tiempo y
temperatura necesarios para realizar el envejecimiento térmico de probetas
sólidas en el horno. Para esto fue necesaria la creación de nueve (09)
probetas de cada tipo de polietileno, las cuales fueron envejecidas a
120°Cpor períodos de (1), dos (2) y tres (3) horas y media. Cabe destacar
que tanto la creación de las probetas como el mencionado envejecimiento
térmico, fueron ejecutados en el laboratorio de mecanizado de la Universidad
Privada Dr. Rafael Belloso Chacín.
45
1.1.2. FASE II: ENSAYOS DE TRACCIÓN
Los resultados obtenidos para las muestras de los polietilenos 2908 y 11PG1
sin tratamiento de envejecimiento térmico (muestras control), se presentan
en las gráficas 1 y 2 y las tablas 1 y 2, respectivamente.
GRÁFICA 1. POLIETILENO 2908 (CONTROL)
Stress (MPa)
-0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
Percentage Elongation-0 50 100 150
Tensile Strength
Proof Strength Non-Proportional Elongation
Proof Strength Total Elongation
Linear Portion End
Preload
Linear Portion Start
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
TABLA 1. Polietileno 2908 (CONTROL)
Probeta Módulo de Young (MPa) Resistencia a la Tracción (MPa) Porcentaje de Elongación
1 589,651 19,811 168,028
2 365,756 17,806 145,257
3 318,377 19,733 162,529
Promedio 424,595 19,117 158,605
DesviaciónEstándar 118,304 0,927 9,702
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
46
GRÁFICA 2. POLIETILENO 11PG1 (CONTROL) Stress (MPa)
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
Percentage Elongation-00 100 200 300 400 500
Fracture
Tensile Strength
Upper Yield
Proof Strength Non-Proportional Elongation
Linear Portion End
Linear Portion Start
Proof Strength Total ElongationPreload
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
TABLA 2. POLIETILENO 11PG1 (CONTROL)
Probeta Módulo de
Young (MPa)
Resistencia a la
Tracción (MPa) Porcentaje de Elongación
1 107,627 10,660 528,846
2 58,376 8,667 615,027
3 59,536 9,080 503,921
Promedio 75,180 9,469 549,265
DesviaciónEstándar 22,949 0,859 47,601
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
Los datos y gráficos mostrados anteriormente revelan el comportamiento
47
referencial típico de este material en un ensayo de tracción, obteniendo a su
vez las propiedades típicamente reportadas para determinar el
comportamiento mecánico de ya mencionado material.Es evidente que el
polietileno de alta densidad 2908 es aproximadamente dos veces más
resistente (resistencia a la tracción), 6 veces más rígido (módulo elástico) y
3,5 veces menos dúctil que el polietileno lineal de baja densidad 11PG1.
Asimismo, de los resultados obtenidos es posible concluir que dichos valores
son reproducibles revelando una desviacióndentro de los límites
aceptables,por lo cual, se decidióelaborar tres (03) probetas con sus
respectivos ensayos para cada condición. Seguidamente se muestra la
descripción de cada uno de los ensayos y el comportamiento del material en
las diferentes condiciones a las cuales fue sometido.
Inicialmente se le aplico el ensayo de tracción a las probetas de ambos tipos
de polietileno a las condiciones establecidas inicialmente, es decir, a las
probetas tratadas a una temperatura de 100°C y a un tiempo de una (1),
dos(2) y tres (3) horas, obteniendo los resultados siguientes.
TABLA3. POLIETILENO 2908 (100°C)
Módulo de Young (MPa) Resistencia a la Tracción (MPa) Porcentaje de Elongación
Control 424,595 19,117 158,605
1Hr 526,347 20,367 447,912
2Hr 385,394 21,227 394,683
3Hr 560,28 21,599 323,701
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
48
TABLA 4. POLIETILENO 11PG1 (100°C)
Módulo de Young (Mpa) Resistencia a la Tracción
(Mpa)
Porcentaje de Elongación
Control 75,18 9,469 549,265
1Hr 71,508 10,533 324,003
2Hr 88,029 10,641 455,756
3Hr 104,934 10,915 702,629
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
Las variaciones en los valores reflejados en las tablas mostradas
anteriormente correspondientes a las primeras condiciones de ensayo, así
como también, los nuevos experimentos con diferentes condiciones se
analizarán con detalle en la fase final de esta investigación. A continuación
se presentan los gráficos y valores tabulados de los ensayos de tracción de
las probetas tratadas bajos las segundas condiciones.
GRÁFICA 3. POLIETILENO 2908 1.5HR - 120°C
Stress (MPa)
-0.0
5.0
10.0
15.0
Percentage Elongation-0 50 100 150
Tensile Strength
Proof Strength Non-Proportional Elongation
Linear Portion End
Linear Portion Start
Proof Strength Total Elongation
Preload
Metals, Tensile Setup
Gauge Length: 30.0 mm
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
49
GRÁFICA 4. POLIETILENO 2908 2.5HR - 120°C
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
GRÁFICA 5. POLIETILENO 2908 3.5HR - 120°C
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
50
TABLA 5. POLIETILENO 29-08 (120°C)
Módulo de Young
(Mpa)
Resistencia a la
Tracción (Mpa)
Porcentaje de
Elongación
Control 424,595 19,117 158,605
1Hr 30min 190,071 14,368 150,839
2Hr 30min 173,178 14,158 262,402
3Hr 30min 262,615 15,881 643,371
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
GRÁFICA 6. POLIETILENO 11PG1 1.5HR - 120°C
Stress (MPa)
-0.0
5.0
10.0
15.0
Percentage Elongation-00 100 200 300
Fracture
Tensile StrengthUpper Yield
Proof Strength Non-Proportional Elongation
Linear Portion End
Linear Portion Start
Proof Strength Total Elongation
Preload
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
51
GRÁFICA7. POLIETILENO 11PG1 2.5HR - 120°C
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
GRÁFICA8. POLIETILENO 11PG1 3.5HR - 120°C
Stress (MPa)
-0
10
20
30
Percentage Elongation-00 100 200 300 400 500 600 700
Fracture
Tensile Strength
Linear Portion EndProof Strength Non-Proportional Elongation
Upper Yield
Linear Portion Start
Proof Strength Total Elongation
Preload
Metals, Tensile Setup
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
52
TABLA6.POLIETILENO 11PG1 (120°C)
Módulo de Young
(Mpa)
Resistencia a la
Tracción (Mpa)
Porcentaje de
Elongación
Control 75,180 9,469 549,265
1Hr 30min 37,543 4,574 306,755
2Hr 30min 51,653 6,146 440,294
3Hr 30min 71,582 6,730 579,134
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
En la ejecución de los ensayos de tracción de las muestras sometidas a las
condiciones de aumento de temperatura y tiempo, se obtuvo una significativa
variación en las propiedades mecánicas de ambos polietilenos, cabe
destacar que se realizó unaselección de las propiedades típicamente
reportadas en ensayos de tracción que presentaron mayor variación, las
cuales son las que conforman la estructura general de todas las tablas
presentadas en esta fase.
A continuación se procede a la explicación detallada del comportamiento de
ambos tipos de polietileno (2908 y 11PG1), y a su vez a la interpretación y
análisis de los resultados obtenidos en la investigación.
1.1.3 FASE III: EVALUACIONES
Principalmente se tomaron los valores de control de ambos polietilenos , para
53
lograr tener una data referencial de las propiedades mecánicas del material
en condiciones normales (Tabla 1 y Tabla 2), con el objeto de comparar y
evaluar los cambios ocasionados por la exposición a elevadas temperaturas
de dicho material.
Al evaluar y observar detalladamente los resultados obtenidos luego de
someter las probetas a las condiciones de ensayo de 100°C por una (1), dos
(2) y tres (3) horas en ambos polietilenos, se evidenciaron algunos valores
atípicos que no permiten observar una clara tendencia del comportamiento
del material, por lo que se tomó la decisión de proceder a modificar y
establecer nuevos parámetros de temperatura y tiempo para un segundo
ensayo, con la intención de observar una tendencia más clara del
comportamiento del polietileno, esta vez, la condición fue a 120°C y se
adicionó media hora a cada prueba obteniendo así un nuevo parámetro de
tiempo para los ensayos de tracción en una (1), dos (2) y tres (3) horas y
media para ambos polietilenos. De este segundo ensayo se pudieron
observar variaciones significativas en ambos polietilenos y los resultados se
encuentran tabulados en la fase anterior (TABLA 5 Y TABLA 6). A
continuación se describirán en detalle cada una de estas variaciones.
INFLUENCIA DEL TIEMPO DE EXPOSICION TÉRMICA A 120º C, SOBRE
LAS PROPIEDADES DEL POLIETILENO 2908
Partiendo de los resultandos mostrados en la TABLA 5, se gráfica en la
figura 1 el comportamiento siguiente:
54
FIGURA 1. MÓDULO DE YOUNG POLIETILENO 29-08
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
En la presente figura se observa un descenso significativo en la magnitud del
módulo de Young de la muestra de control con respecto a la muestra
sometida a degradación térmica por una (1) hora y media, lo cual indica un
descenso en la rigidez del material, esto quiere decir que se requirió
unmenor esfuerzo para ocasionar una deformación en el rango elástico, todo
esto basándose en la relación esfuerzo-deformación lo cual define el módulo
de Young.Por otro lado,en el intervalo comprendido de una (1) hora y media
a dos (2) horas y media, se observa un comportamiento similar entre ambas
muestras, esto es apreciable si se considera el porcentaje de error entre los
valores arrojados por el ensayo de tracción y el cual se muestra a
continuación:
55
De acuerdo a este porcentaje de error se puede decir que no hubo una
variación significativa en el módulo de Young durante ese intervalo de
tiempo. No obstante, al analizar el comportamiento del material de dos (2)
horas y media a tres (3) horas y media de exposición se puede visualizar un
aumento pronunciado del módulo de Young y como consecuencia, un
incremento en la rigidez del polietileno, sin embargo, este último valor se
encuentra muy por debajo del valor referencial del material en condiciones
normales, lo que quiere decir que el material no logró alcanzar el nivel de
rigidez que poseía antes de ser sometido a la degradación térmica.
FIGURA 2. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN POLIETILENO 29-08
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
En la figura mostrada se evidencia un comportamiento similar al descrito en
la figura 1 correspondiente al Módulo de Young, donde se aprecia una
disminución de la resistencia a la tracción del valor de control con respecto al
56
valor de las muestras sometidas a una (1) hora y media de degradación
térmica, esto indica y en concordancia con lo expuesto anteriormente que se
requirió un menor esfuerzo para fracturar las probetas, es decir, el material
se volvió menos resistente. De igual manera, también es notable que en el
intervalo de una (1) hora y media a dos (2) horas y media no se evidenciaron
variaciones significativas en los valores de resistencia a la tracción, entre los
cuales se presenta un porcentaje de error del 1,5% aproximadamente.
Posteriormente se puede observar un aumento de dicha resistencia en las
probetas sometidas a 3 horas y media en comparación con los valores
anteriores, pero cuyo valor sigue por debajo del valor de control para este
material, lo cual es evidencia del efecto de la degradación térmica sobre las
propiedades del polietileno.
FIGURA 3. PORCENTAJE DE ELONGACIÓN POLIETILENO 29-08
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
En el grafico mostrado, se está en presencia de un aumento gradual y
57
claramente pronunciado del porcentaje de elongación a medida que
transcurre el tiempo de exposición a alta temperatura. Este tipo de
comportamiento es de gran significancia, proporciona al materia un nivel
menor de fragilidad y dureza y como consecuencia un aumento bastante
relevante de la ductilidad, así como también cabe destacar que esta
condición es un ejemplo claro de el efecto que produce la temperatura a este
tipo de polietileno cuando es utilizado a largo plazo en la intemperie.
La causa de este tipo de comportamiento puede atribuirse a rupturas o
rompimientos de las cadenas hidrocarbonadas que constituyen y conforman
este material, ocasionando que dichas cadenas ya segmentadas puedan
desplazarse y proporcionarle al materia un alargamiento mayor,
alargamiento que puede ser visualizado en la foto 17 de los anexos, es
importante resaltar que se trató con un polietileno de alta densidad, el cual
posee largas cadenas lineales, lo que ocasiona que tenga un peso molecular
relativamente bajo, y como consecuencia un índice de fluidez más alto que el
de otros tipos de polietilenos de baja densidad de cadenas hidrocarbonadas
más cortas y ramificadas.
INFLUENCIA DEL TIEMPO DE EXPOSICION TÉRMICA A 120º C, SOBRE
LAS PROPIEDADES DEL POLIETILENO 11PG1
En virtud a los datos suministrados por la TABLA 6, es posible generar las
siguientes ilustraciones y descripción minuciosa de los resultados.
FIGURA 4. MÓDULO DE YOUNG POLIETILENO 11PG1
58
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
Como se puede observar se revela un cambio significativo en la magnitud del
módulo de Young al transcurrir la primera hora y media de exposición con
respecto al valor referencial de control, este cambio hace referencia al
descenso de la rigidez de este tipo de polietileno, posteriormente se
pronuncia una elevación gradual de la magnituda lo largo del tiempo de
exposición,esto indica que al transcurrir el tiempo ocurre un aumento de la
rigidez del material.Esta información suministrada por el ensayode tracción
es una evidencia de los cambios químicos dentro de la estructura del
polietileno por el sometimiento a altas temperaturas por tiempos
prolongados, a nivel molecular estos cambios en dicho módulo pueden
atribuirse al aumento de interacciones intermoleculares y entrecruzamientos
de las cadenas que constituyen el material.
Cabe destacar que el valor reportado al transcurrir las tres (3) horas y media
59
de exposición se encuentra muy cercano al valor de control, este margen de
diferencia es apreciable al calcularse el porcentaje de error entre ambos
valores:
Para corroborar la veracidad de esta tendencia, sería conveniente realizar
nuevos estudios en los que se someta el material a tiempos de exposición
superiores a las tres (3) horas y media, debido a que este tipo de material
presenta ante la degradación térmica dos mecanismos que varían durante el
tiempo de exposición a altas temperaturas, y los mismos pueden ser, la
ruptura de las cadenas que conforman el polietileno o el entrecruzamiento
de las mismas, estos cambios químicos ocurridos dentro de la estructura del
material se aprecian en la siguiente ilustración.
FIGURA 5. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN POLIETILENO 11PH1
60
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
En la figura mostrada se evidencia que la resistencia a la traccióndel valor de
control disminuye en gran magnitud con respecto al valor suministrado por el
primer intervalo de evaluación de una (1) hora y media, y que posteriormente
al transcurrir el tiempo de exposición asciende gradualmente. También se
puede observar que, en la primera hora y media de degradación térmica,
existieron rupturas de las cadenas que conforman el polietileno, a diferencia
del comportamiento del material luego de las dos (2) horas y media de
exposición en adelante, donde el aumento de la resistencia se atribuye a
entrecruzamientos de las cadenas que componen el material.
FIGURA 6. PORCENTAJE DE ELONGACIÓN POLIETILENO 11PG1
61
FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)
En la presente figura se visualiza una disminución claramente pronunciada
en el porcentaje de elongación con respecto al valor de control, muy
probablemente generado por los entrecruzamientos de las cadenas, aumento
de interacciones entre ellas, así como también generación de nuevos
enlaces entre las ya mencionadas cadenas que estructuran el polietileno,
transcurridas las horas de exposición entre cada ensayo, se evidencia un
comportamientodiferente a lo ocurrido en la primera hora y media de
envejecimiento, donde prevalece un aumento del porcentaje de elongación,
estos importantes cambios son generados por la ruptura de uniones
químicas dentro de la estructura del materia, es decir, permitiendo que las
cadenas se desplacen, teniendo como resultado un material más dúctil, es
importante resaltar que el valor de porcentaje de elongación reportado a las
tres (3) horas y media de degradación térmica es superior al valor de control,
sin embargo la diferencia que existe entre ambos valores es poco
62
significativa (5,44%).
En este tipo de material es común observar la presencia de ambos
mecanismos, ruptura y entrecruzamiento de cadenas, en el transcurso del
tiempo requerido para inducir una degradación térmica sobre el material,
teniendo presente la tendencia que más prevalezca entre dichos
mecanismos a la hora de realizar el análisis de las propiedades a estudiar,
como ha podido presenciarse en el desarrollo de esta investigación.Cabe
destacar que para este ensayo se trataba de un polietileno lineal de baja
densidad, cuyas cadenas hidrocarbonadas contienen ramificaciones cortas y
uniformes introducidas en el proceso de polimerización.
Top Related