Comparación entre los modos de flexión de 3 puntos y de tracción
El material Policarbonato
El policarbonato es un material termoplástico y -cuando no está reforzado por partículas o fibras- se ablanda extremadamente a temperaturas elevadas. Para determinar la dependencia de la temperatura de las propiedades mecánicas o la temperatura de transición vítrea, se requieren determinadas geometrías de ensayo y condiciones de ensayo especiales.
Experimental
Para las investigaciones del policarbonato (PC blanco) se utiliza un Eplexor® 500 N (figura 1) equipado con un sensor de fuerza de 500 N y una cámara térmica (-160°C hasta 500°C).
flexión en 3 puntos
Para muchas aplicaciones, se suele utilizar el ensayo de flexión en 3 puntos. Dado que el PC comienza a ablandarse muy "pronto", es decir, ya muchos grados por debajo de la temperatura del vidrio (Tg), la muestra de PC tiende a hundirse por su propio peso y a tocar el fondo antes de alcanzar la temperatura del vidrio (figura 2). Incluso adopta el contorno del soporte de flexión de 3 puntos (aquí: ¡vano de 30 mm!) Este efecto acompaña a todos los soportes de flexión independientemente de su envergadura. Las muestras de PC sometidas a ensayos de flexión sufren deformaciones complejas (estiramiento-cizallamiento-flexión simultáneos) en los barridos de temperatura. Dependiendo del material, la deformación puede comenzar ya a temperaturas entre 10 y 30 °C por debajo de la temperatura del vidrio. Los procesos de deformación que experimenta una muestra en un ensayo de flexión difieren para todas las temperaturas de los que se producen en un ensayo de tracción. Por lo tanto, en los ensayos de flexión, la disipación de energía será mayor que en los ensayos de tracción porque existen más procesos de disipación de energía. Este hallazgo justifica la expectativa de que en el modo de flexión se produzcan valores de tanδ más elevados que en los ensayos de tracción, aunque el material de ensayo sea el mismo.
Pruebas de tracción
La mejor alternativa para el análisis dinámico-mecánico del PC es el ensayo de tracción. Todos los ensayos de tracción deben cumplir los siguientes requisitos
- Superar la tendencia inherente a la contracción de la muestra a temperaturas más elevadas
- Asegurar la planaridad de la muestra (= evitar el pandeo)
Los ensayos de tracción PC configurados adecuadamente minimizan la influencia de la gravedad en la forma de la muestra. Los ensayos de tracción convencionales aplican cargas estáticas mayores que las cargas dinámicas. De este modo se evita la alternancia de cargas durante los ciclos de ensayo y, por tanto, el pandeo de la muestra. Si se pueden aplicar ciertas medidas para excluir la posibilidad de pandeo, entonces no es necesario seguir esta regla En ese caso, tanto la carga estática como la dinámica pueden elegirse libremente para ajustarse a las necesidades del experimento. De hecho, el pandeo no se produce cuando en los ensayos de tracción se utilizan muestras cortas (con una longitud de calibre de unos pocos milímetros) y deformaciones small (en la escala micrométrica). Tales configuraciones se aplican cuando se realizan barridos de temperatura en PC.
Condiciones de la prueba
Las muestras de PC utilizadas para los ensayos de tracción tienen 9,5 mm de ancho, 3 mm de grosor y 30 mm de longitud. Se obtiene una longitud de calibre de unos 10 mm, que resulta adecuada para cargas dinámicas de deformación controlada. Una amplitud de fuerza estática baja (fuerza de contacto) mantiene la muestra de PC recta en todo momento del ensayo cuando no se están adquiriendo puntos de datos. A modo de comparación, también se realiza un ensayo de flexión en 3 puntos (deformación estática 3%, deformación dinámica 1%, fuerza de contacto 1 N ± 0,5 N, amplitud 30 mm).
La figura 3 muestra la influencia significativa de la fuerza de tracción en las formas de la muestra en 3 ejemplos. Debe evitar la contracción y no alargar significativamente la muestra de PC. Es evidente que los niveles de fuerza de contacto de 0,5 N (figura 3, izquierda y figura 3, centro) y 0,75 N no son suficientes. Es el nivel de fuerza de contacto de 1 N (figura 3, derecha) el que mantiene la muestra recta y no la alarga excesivamente.
En realidad, ¡la contracción de limitación de fuerza necesaria depende del material y del área de la sección transversal de la muestra!
Las deformaciones estáticas de 50 μm (0,5% de deformación estática) y las deformaciones dinámicas de 10 μm (0,1% de deformación dinámica) pueden detectarse bien y no provocan pandeo en los ensayos de tracción. El modo de control de deformación seleccionado mantiene constantes las amplitudes de deformación a todas las temperaturas variando los niveles de fuerza estática y dinámica correspondientes con el cambio de temperatura (2 °C/min, frecuencia: 10 Hz).
Resultados de las mediciones
La dependencia de la temperatura del Módulo elásticoEl módulo complejo (componente elástico), módulo de almacenamiento o G', es la parte "real" del módulo complejo global de la muestra. Este componente elástico indica la respuesta sólida, o en fase, de la muestra que se está midiendo. módulo elástico |E*| y tanδ se muestra en la figura 4 para un ensayo de tracción y de flexión en 3 puntos.
El Módulo elásticoEl módulo complejo (componente elástico), módulo de almacenamiento o G', es la parte "real" del módulo complejo global de la muestra. Este componente elástico indica la respuesta sólida, o en fase, de la muestra que se está midiendo. módulo elástico |E*| a baja temperatura presenta un valor de unos 2300 MPa en ambos casos. El máximo de la curva tanδ se sitúa en torno a 166,5°C (Tg). A temperaturas inferiores a 25°C, los módulos |E*| mostrados difieren significativamente. La amortiguación tanδa la flexión es mayor porque están activos más procesos de deformación diferentes que en los ensayos de tracción. Los módulos de flexión |E*| son menos significativos porque para su cálculo se utilizan las dimensiones iniciales de la muestra, pero la forma real difiere mucho de ella.
En tracción, el área de la sección transversal de la muestra disminuye gradualmente a temperaturas elevadas debido al alargamiento de la muestra. Suponiendo que el volumen de la muestra es constante cuando se somete a tensión, se puede determinar el área de la sección transversal real (=corregida) si se mide el alargamiento real. El módulo resultante |E*| se refiere al área de la sección transversal corregida.
Conclusión
El ensayo de tracción ofrece unas condiciones de ensayo mejor definidas para los análisis dinámico-mecánicos de materiales termoplásticos que -cuando no están reforzados- se ablandan significativamente ya 20 °C o 30 °C por debajo de la Tg. La forma de la muestra se conserva durante todo el intervalo de temperaturas mucho mejor en los ensayos de tracción que en los de flexión. Los supuestos geométricos para el cálculo de las propiedades mecánicas dinámicas se cumplen mejor en la geometría de los ensayos de tracción, una razón importante para favorecer los ensayos de tracción en la práctica experimental.