Page 1

1-6-2011

PROFESOR RAFAEL BALART GIMENO

DISEÑO Y CARACTERIZACIÓN CON MATERIALES POLIMÉRICOS Y SUS COMPUESTOS (E.P.S.ALCOY – INGENIERÍA DE MATERIALES)

Alumno | Vicente Jover Peris


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales)

Contenido BLOQUE I ......................................................................................................................................................... 2 A.- CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC) ................................................................... 2 Cuestión 1 .................................................................................................................................................. 3 Cuestión 2 .................................................................................................................................................. 4 Cuestión 3 .................................................................................................................................................. 5 B.- ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO .................................................................................................. 6 Cuestión 4 .................................................................................................................................................. 6 Cuestión 5 .................................................................................................................................................. 7 BLOQUE II ........................................................................................................................................................ 9 CARACTERIZACIÓN ESPECTROSCÓPICA DE MATERIALES POLIMÉRICOS ................................ 9 Cuestión 1 .................................................................................................................................................. 9 BLOQUE III .................................................................................................................................................... 11 COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE MATERIALES PLÁSTICOS .................................................. 11 Cuestión 1 ................................................................................................................................................ 11 Cuestión 2 ................................................................................................................................................ 12 Cuestión 3 ................................................................................................................................................ 13 Cuestión 4 ................................................................................................................................................ 15 BLOQUE IV .................................................................................................................................................... 16 ANÁLISIS DE MATERIALES COMPUESTOS ....................................................................................... 16 Cuestión 1 ................................................................................................................................................ 16 Cuestión 2 ................................................................................................................................................ 17 Cuestión 3 ................................................................................................................................................ 18

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 1


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales)

BLOQUE I A.- CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC) Introducción: La Calorimetría de barrido diferencial (del inglés: Differential Scanning Calorimetry o DSC) es una técnica termoanalítica en la que la diferencia de calor entre una muestra y una referencia es medida como una función de la temperatura. La muestra y la referencia son mantenidas aproximadamente a la misma temperatura a través de un experimento. Generalmente, el programa de temperatura para un análisis DSC es diseñado de tal modo que la temperatura del portador de muestra aumenta linealmente como función del tiempo. La muestra de referencia debería tener una capacidad calorífica bien definida en el intervalo de temperaturas en que vaya a tener lugar el barrido. El principio básico subyacente a esta técnica es que, cuando la muestra experimenta una transformaci ón física tal como una transición de fase, se necesitará que fluya más (o menos) calor a la muestra que a la referencia para mantener ambas a la misma temperatura. El que fluya más o menos calor a la muestra depende de si el proceso es exotérmico o endotérmico. Por ejemplo, en tanto que una muestra sólida funde a líquida se requerirá que fluya más calor a la muestra para aumentar su temperatura a la misma velocidad que la de referencia. Esto se debe a la absorción de calor de la muestra en tanto ésta experimenta la transición de fase endotérmica desde sólido a líquido. Por el contrario, cuando la muestra experimenta procesos exotérmicos (tales como una cristalización) se requiere menos calor para alcanzar la temperatura de la muestra. Determinando la diferencia de flujo calorífico entre la muestra y la referencia, los calorímetros DSC son capaces de medir la cantidad de calor absorbido o eliminado durante tales transiciones. La DSC puede ser utilizada también para determinar cambios de fase más sutiles tales como las transiciones vítreas. La DSC es utilizada ampliamente en la Industria como instrumento de control de calidad debido a su aplicabilidad en valorar la pureza de las muestras y para estudiar el curado de los polímeros. Curvas DSC El resultado de un experimento DSC es una curva de flujo calorífico versus temperatura o versus tiempo. Existen dos convenciones diferentes al representar los efectos térmicos: las reacciones exotérmicas que exhibe la muestra pueden ser mostradas como picos positivos o negativos dependiendo del tipo de tecnología o de instrumentación utilizadas en la realización del experimento. Los efectos sobre o bajo una curva DSC pueden ser utilizados para calcular entalpías de transiciones. Este cálculo se realiza integrando el pico correspondiente a una transición dada. Así, la entalpía de la transición puede ser expresada por la siguiente ecuación: ΔH = KA donde ΔH es la entalpía de la transición, K es la constante calorimétrica y A es el área bajo la curva. La constante calorimétrica variará de instrumento a instrumento, y puede ser determinada analizando una muestra bien caracterizada con entalpías de transición conocidas.

Máquina de DSC utilizada para el experimento

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 2


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales) Cuestión 1 El siguiente gráfico muestra la curva calorimétrica de un material polimérico; en base a la observación del gráfico determinar:

a)

Identificar las transiciones térmicas más relevantes que se observan en el gráfico calorimétrico. En base a las transiciones térmicas identificar el polímero. En este gráfico, se puede apreciar que el polimero tiene un punto de fusión, alrededor de los 173ºC, debido al proceso endotérmico, recibe, calor, que tiene lugar en ese punto. Aparece, por otro lado, una temperatura de degradación del material a 233ºC, que se produce entre los 210 y los 240ºC. Con estos valores y basándonos en el ANEXO I, se puede concluir diciendo, que el polimero al cual pertenece este DSC, és un Peroxido de Metileno Homopolimero (POM), cuya temperatura de fusión varia entre 175-180ºC.

b)

En base a la información calorimétrica indicar la naturaleza amorfa o semicristalina del polímero. Justificar la respuesta. Como el primer pico que aparece en el diagrama es endotérmico, absorbe calor, indica que el polimero necesita calor para romper sus cadenas y poder pasar de estado sólido a líquido. Por lo tanto, se concluye que es un polimero semicristalino.

c)

Si se trata de un polímero semicristalino, determinar el % de cristalinidad. Si se trata de un polímero amorfo, identificar la transición térmica correspondiente. Al tratarse de un polimero semicritalino, se calcula el porcentaje de su cristalinidad, aplicando la siguiente fórmula: %cristalinidad = ((∆us Hreal)/ (∆fus Hteorico)) · 100 = (58.92/250)·100 = 23.568%

d)

¿Por qué el pico situado en torno a 160-190 ºC es endotérmico (absorbe calor) y el proceso que comienza a partir de 230 ºC es exotérmico (desprende calor). Como el material necesita calor para mover las cadenas, se concluye que el primer pico es endotérmico. En el segundo caso, el material tiene un comportamiento exotérmico, porque el material esta degradándose, es decir, se esta produciendo su combustión, lo cual produce que se desprenda calor.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 3


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales) Cuestión 2 El siguiente gráfico muestra la curva calorimétrica de un material polimérico; en base a la observación del gráfico determinar:

a) Identificar las transiciones térmicas más relevantes que se observan en el gráfico calorimétrico. En base a las transiciones térmicas identificar el polímero. En el anterior gráfico, se pueden identificar tres tipos de transformaciones tèrmicas, de las cuales dos de ellas son endotérmicas, la primera alrededor de los 74ºC, que corresponde a la temperatura de transición vitrea (Tg) del material. La otra, aparece a los 253,5ºC y corresponde a la Tm del material. La otra transformación tèrmica se encuentra a 120ºC. Es un punto exotérmico, desprende calor y puede ser debido a la Tc del material. Con estos datos y la ayuda del ANEXO I, podemos concluir que el polimero analizado es un Polietileno Tereftalato (PET). b) En base a la información calorimétrica identificar la naturaleza amorfa o semicristalina del polímero. Justificar la respuesta. Calcular el % de cristalinidad. La aparición de picos como el de la Tm del material, indica que el polímero es semicristalino. El % de cristalinidad se calcula mediante la siguiente fórmula: %cristalinidad = ((∆us Hreal)/ (∆fus Hteorico)) · 100 = (41.36/115)·100 = 35.965% c) ¿A qué crees que puede corresponder el pico situado en torno a 120 ºC?. A que el material a esas temperaturas, sufre un cambio de estructura cristalina, se cristaliza, ordenando su estructura, debido a que a esa temperatura hay suficiente energia para que se produzca el fenómeno. d) ¿Cómo puede afectar este pico en torno a 120-130 ºC a la estabilidad dimensional del material cuando trabaja en este rango de temperaturas? Como la estructura cristalina de un material es la encargada de aportarle sus propiedades mecánicas, un cambio en ella afectará a dichas propiedades, mejorándolas.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 4


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales)

Cuestión 3 El siguiente gráfico muestra la curva calorimétrica de un material polimérico; en base a la observación del gráfico determinar:

Calentamiento( 30 – 200ºC)

Enfriamiento( 200 – 100ºC)

Calentamiento( 100– 350ºC)

a) Identificar las transiciones térmicas más relevantes que se observan en el gráfico calorimétrico. En base a las transiciones térmicas identificar el polímero. Este polímero sólo tiene una temperatura de fusión alrededor de los 160ºC y una temperatura de degradación del material sobre los 262ºC. Se puede también apreciar en la zona intermedia del diagrama, donde el material se cristaliza, debido a que el proceso de fusión es irreversible. Conociendo las temperaturas de fusión y de degradación del polímero, podemos decir que el polímero analizado es un Polipropileno (PP). b) En base a la información calorimétrica indicar la naturaleza amorfa o semicristalina del polímero. Justificar la respuesta. Como se detectan, temperatura de transición vítrea y temperatura de fusión, podemos concluir que se trata de un polímero semicristalino. c) Si se trata de un polímero semicristalino, determinar el % de cristalinidad. Si se trata de un polímero amorfo, identificar la transición térmica correspondiente. Para calcular el % de cristalinidad, aplicamos la fórmula: %cristalinidad = ((∆us Hreal)/ (∆fus Hteorico)) · 100 = (59.23/190)·100 = 31.174% d) ¿Qué sentido tiene programar un ciclo de calentamiento seguido de enfriamiento y un posterior ciclo de calentamiento? Dicha programación se realiza para eliminar durante el primer tramo los resultados debidos a las condiciones de procesado (cambios rápidos de temperatura, que modifican la estructura interna del material, sin llegar a degradarlo). Después el material se vuelve a enfriar y a calentar de nuevo, para conseguir unos resultados finales satisfactorios. e) ¿Por qué los valores de la integral normalizada en el primer ciclo de calentamiento y el tercero no coinciden? En el primer tramo, el material depende de diversos factores, entre ellos el procesado, enfriándose de forma rápida y modificando la estructura interna del material. Esto se modifica a partir del segundo ciclo, ya que el material tiene tiempo para recristalizarse de un modo más lento y conseguir propiedades propias del material.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 5


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales)

B.- ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO Cuestión 4 El siguiente gráfico muestra la curva termogravimétrica de un material polimérico; en base a la observación del gráfico determinar:

a) Determinar el porcentaje de cargas inorgánicas que posee el material polimérico. Fijándonos en el gráfico, vemos que el material llega a 500ºC. A esta temperatura, en el crisol de alúmina, siguen habiendo cargas inorgánicas, ya que a esas temperaturas, queda un 4% de carga inicial. Dichas cargas no se pueden observar porque desaparecen al quemarse con el polímero

b) Indicar las posibilidades y/o limitaciones de la técnica TGA en la identificación de polímeros. Esta técnica nos permite, conociendo la temperatura de evaporación del polímero, obtener el % de cada componente del polímero, así como determinar las cargas inorgánicas del material.

c) ¿Cómo podrías identificar si unas cargas son de naturaleza orgánica o inorgánica mediante el empleo de la técnica TGA? Observando la zonal final del gráfico, podemos saber la naturaleza de las cargas. La carga será orgánica si la curva del TGA no coincide con el eje de abscisas.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 6


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales) Cuestión 5 El siguiente gráfico muestra la curva termogravimétrica de un copolímero de etileno acetato de vinilo (EVA); en base a la observación del gráfico:

a) Explicar los diversos saltos que se aprecian en el gráfico termogravimétrico. Dentro de la curva termogravimétrica obtenida podemos diferenciar cuatro regiones: 1.- (0-220ºC)  El material no pierde masa. 2.- (220-343ºC)  Se produce una primera degradación, producida por la pérdida de acetileno, debido a su volatilidad. 3.- (343-500ºC)  El material sufre otra degradación al quemarse los restos de la cadena de Carbono e Hidrógeno 4.- El material se degrada totalmente.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 7


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales)

b) Determinar el porcentaje de acetato de vinilo en el copolímero. En la segunda etapa, se produce una degradación que provoca que el polímero EVA, pierda su composición de ácido acético. La estructura de EVA es:

La estructura del acetileno de vinilo es:

86 g/mol = 26 g/mol + 60 g/mol Según el gráfico, la cantidad de masa que pierde el polímero, (ácido acético ,60 g/mol), corresponde a un 13,5% de la masa total. Así, la cantidad de acetileno de vinilo degradado será de 86g/mol, es decir, un 19,35% de la composición total del polímero. Detalle de los cálculos realizados: 60 g/mol  13.5 % 86 g/mol  x

x= 19.35 %

c) ¿presenta algún tipo de carga este material? Justificar la respuesta. El material no tiene ninguna carga inorgánica, ya que el gráfico indica que la degradación del material es completa a 500Cº.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 8


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales)

BLOQUE II CARACTERIZACIÓN ESPECTROSCÓPICA DE MATERIALES POLIMÉRICOS Cuestión 1 Los siguientes gráficos muestran los espectros FTIR de diferentes materiales poliméricos. En base a la identificación de los picos y bandas más relevantes identificar los diferentes polímeros (Anexo II). a)

2906  -CH2 –CH3 2852  -CH3 O 1463  -CH2 –CH3 1276  C N O 719  -OH

En el gráfico anterior, podemos ver representado el Polietileno (PE), ya que los grupos CH3 son característicos de este material, y es un compuesto alifático. Los picos y bandas, más relevantes son: 2908.47 cm-1 = CH3 y CH2 en compuestos alifáticos (vibraciones simétricas y asimétricas de extensión) 2851.15 cm-1 = CH3 y CH2 en compuestos alifáticos (vibraciones simétricas y asimétricas de extensión) 1463.90 cm-1 = CH3 en compuestos alifáticos (deformación antisimétrica de CH 3) -1

719.73 cm = cadenas de metileno (balanceo de cadenas de metileno, la intensidad depende de la longitud de la cadena) 1376.18 cm-1 = CH3 en compuestos alifáticos (deformación simétrica de CH3)

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 9


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales) b)

2968  -CH3 – CH22946 -CH3 –CH2 2946 -CH3 –CH2 2837 - CH3 –CH2 1453  -CH2 1375  -NO2 -CH3 COO 1254  SOz

1166  SOz 997  -CH 972  -CH 845  -CH

En la gráfica anterior podemos ver representado el Polipropileno (PP), por los grupos CH3 y el oxígeno y que tiene cuatro grupos funcionales importantes. Los picos y bandas más relevantes son: 2948.57 cm-1 = CH3 y CH2 en compuestos alifáticos (vibraciones simétricas y asimétricas de extensión) 2916.21 cm-1 = CH3 y CH2 en compuestos alifáticos (vibraciones simétricas y asimétricas de extensión) 2837.42 cm-1 = CH3 unido a oxígeno o nitrógeno (modos de extensión CH) 1375.95 cm-1 = CH3 en compuestos alifáticos (deformación simétrica de CH 3) 1453.57 cm-1 = CH3 en compuestos alifáticos (deformación antisimétrica de CH 3) 1166.83 cm-1 = C-O-C en éteres (extensión C-O-C) 997.34 cm-1 = en compuestos vinílicos -1 972.22 cm = en compuestos vinílicos 840.13 cm-1 = 1254.97 cm-1 = C-O-C

en éteres vinílicos (movimiento de CH2 fuera del plano)

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 10


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales)

BLOQUE III COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE MATERIALES PLÁSTICOS Cuestión 1 El siguiente gráfico muestra el ensayo de tracción correspondiente a un polipropileno realizado en diferentes condiciones de velocidad. En base a la información del gráfico:

a) Indicar en qué condiciones el material tiene un comportamiento más rígido y resistente. Con los datos obtenidos en el ensayo de tracción, podemos concretar que: - El ensayo a menor velocidad (20 mm/min) tiene una deformación mayor y soporta una tensión menor que el ensayo realizado a mayor velocidad (300 mm/min). - En el ensayo de 300 mm/min, el material tiene un comportamiento más duro y resistente que en el ensayo a menor velocidad. b) Explicar desde el punto de vista de la estructura a qué se debe este comportamiento. Este comportamiento, denominado Viscoelástico, se debe a la estructura interna del material, formada por cadenas macromoleculares. Pueden aparecer tres tipos de deformaciones: Estiramiento de cadenas moleculares  Deformación elástica. Alineación de cadenas moleculares  Deformación elástica/plástica (las cadenas están en forma de ovillo, estas pueden alinearse, deformándose así el material). Desplazamiento de cadenas moleculares entre sí  Deformación plástica. Debido a los mecanismos de deformación y a la estructura interna, aparecen tres fenómenos en el comportamiento de los materiales viscoelásticos, al someterlos a cargas y deformaciones, durante un periodo de tiempo: Fluencia  Deformación de un material bajo carga constante con el paso del tiempo. Relajación  Liberación de tensión de un material sometido a deformación constante con el paso del tiempo. Recuperación  Recuperación de la deformación sufrida tras un estado tensional y la liberación del estado de carga con el paso del tiempo (además de la recuperación instantánea). Así, podemos concluir que, la deformación que sufre un material viscoelástico, sometido a carga, depende del tiempo y varía con él. Cuando sobre un material viscoelástico aplicamos deformaciones iguales pero con velocidades distintas, el material tiene un comportamiento más rígido y duro ( con velocidades lentas) ya que las cadenas moleculares no tienen tiempo de fluir ni liberar tensiones. Mientras que si aplicamos la deformación más lentamente (en un tiempo mayor) el material tiene un comportamiento más dúctil con mayores deformaciones y un menor esfuerzo tensional. Es un comportamiento similar al cinturón de seguridad de un vehículo. c)

¿Crees que esto afecta al diseño y cálculo de piezas en ingeniería?

Sí que afecta, ya que cuando se diseña y calcula una pieza, hay que tener en cuenta la utilidad que se le va a dar y los esfuerzos que va a soportar durante su ciclo de vida, para poder seleccionar el material más adecuado.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 11


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales) Cuestión 2 El siguiente gráfico muestra el ensayo de tracción (a corto plazo) correspondiente a un polipropileno y un polietileno de baja densidad. En base a la información del gráfico:

a)

Explicar las diferencias de comportamiento entre los dos materiales en base a su estructura química.

El PP y el LDPE son polímeros lineales. Viendo el gráfico, podemos concluir que el LDPE tiene un comportamiento más dúctil que el PP .Esto se debe a la estructura de las macromoléculas. El LDPE está compuesto por cadenas sencillas vinílicas de C e H. sin ramificación, mientras que el PP tiene una cadena vinílica con un grupo substituyente de CH3 por cada dos C de la cadena principal. Por eso las cadenas de PP tienen más difícil el desplazamiento entre sí ya que los grupos substituyentes CH3 actúan como anclajes. Por otra parte, el PE no tiene grupos substituyentes que impidan el desplazamiento de las cadenas entre sí.

b)

Tratándose de gráficos con información a “corto plazo”, ¿para qué puede ser útil dicha información?

Para la preselección de materiales, ya que aporta información general sobre sus características, pero no nos da información sobre el comportamiento del material “a largo tiempo”, que es lo realmente importante.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 12


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales) Cuestión 3 El siguiente gráfico muestra el ensayo de fluencia (largo plazo) correspondiente a un polipropileno realizado en diferentes condiciones de aplicación de la carga (gráfico fuerza – tiempo). En base a la información de los gráficos:

a) Explicar las diferencias de comportamiento en cuanto a la respuesta del material (carrera – tiempo) en las dos situaciones.

En este ensayo se ha sometido a un material a una fuerza constante, durante un cierto tiempo de dos formas diferentes: - Aplicando la fuerza rápidamente, con un solo salto de tensión. - Aplicando la misma fuerza anterior, pero con dos saltos, primero se ha aplicado una fuerza inferior durante un periodo de tiempo y en un segundo salto se ha aplicado la fuerza del caso anterior.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 13


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales) En el gráfico fuerza-tiempo, se observa como la fuerza final aplicada en los dos casos es la misma, pero con saltos distintos, pero el resultado de la deformación no es el mismo. En el gráfico deformaciones-tiempo, se observa como la deformación del material es superior, en el caso de la aplicación de la fuerza en un solo salto. Esta diferencia de deformaciones se aprecia durante todo el periodo de tiempo en el que se aplican las fuerzas. b) En el instante t= 90 seg, indicar la fuerza soportada así como las deformaciones (carreras) en cada una de las situaciones. ¿A qué se debe este comportamiento?

1 salto Fuerza aplicada = 1.6 KN Deformación = 3.25 mm 2 saltos Fuerza aplicada = 1.6 KN Deformación = 2.25 mm Con los datos obtenidos anteriormente, se puede observar la diferencia de deformaciones en ambos casos, siendo la carga aplicada la misma. Esto es debido a que la deformación en un material polimérico es sensible a la historia tensional. La deformación depende pues, de varios factores: -

La duración del estado tensional. El nivel de tensiones aplicadas. La respuesta previa acumulada.

c) Desde el punto de vista de la utilización de materiales plásticos en aplicaciones de ingeniería, ¿cómo puede afectar al comportamiento del material? Es de vital importancia, en el proceso de diseño y cálculo en ingeniería de una pieza, ya que se deberá tener en cuenta las cargas que soportará, para evitar que la pieza falle, debido a una excesiva deformación conforme transcurra un cierto periodo de tiempo.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 14


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales) Cuestión 4 El siguiente gráfico muestra el ensayo de relajación (largo plazo) correspondiente a un polipropileno. En base a la información del gráfico:

a) Explicar cómo evoluciona la fuerza en función del tiempo, teniendo en cuenta que trabaja en condiciones de carrera constante. Para una deformación constante respecto al tiempo, la fuerza necesaria, para dicha deformación, disminuye. Esto es debido a que el material tiende a liberar tensión conforme pasa el tiempo por su naturaleza viscoelástica, que hace que el material se comporte como un fluido viscoso. b) ¿Cómo puede afectar este comportamiento a la vida en servicio de una pieza de plástico de ingeniería? Puede tener efectos negativos, ya que muchas piezas poliméricas trabajan con deformación constante soportando un nivel de carga determinado. Si conforme pasa el tiempo, la pieza disminuye el nivel de carga soportado, esta puede fallar.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 15


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales)

BLOQUE IV ANÁLISIS DE MATERIALES COMPUESTOS Cuestión 1 Una lámina de material compuesto de fibra larga unidireccional consta de una matriz de resina epoxi y un 20 % en volumen de fibras de refuerzo Kevlar 49. Las condiciones de trabajo de la pieza son las que se muestran en el gráfico adjunto. En estas condiciones, determinar las deformaciones unitarias en la lámina en las direcciones x-y.

Ver archivo adjunto, ejercicio_01_xlsx

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 16


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales) Cuestión 2 Las deformaciones unitarias máximas permitidas en una pieza fabricada con material compuesto son: εx = +0,4 % ; εy = +0,4 % ; εxy = +0,1 % El material consta de una matriz de resina epoxi y un 25 % en volumen de fibras de aramida Kevlar 49 largas dispuestas de forma unidireccional formando un ángulo de 15º con el esfuerzo en la dirección x. Determinar las tensiones máximas.

Ver archivo adjunto, ejercicio_02_xlsx

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 17


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales)

Cuestión 3 Mostrar en diferentes gráficos cómo varían las características mecánicas de un laminado de material compuesto (Ex, Ey, Gxy,νxy, νyx) con fibra larga unidireccional en función del ángulo ϴ formado por las fibras y el eje x. Utilizar como base para el ejemplo un compuesto de poliéster con un 20 % en volumen de fibras de vidrio tipo E.

Las propiedades mecánicas del material compuesto (Ex, Ey, Gxy,νxy, νyx) NO DEPENDEN DEL ÁNGULO entre las fibras y el eje x, ya que dichas propiedades las definen el módulo elástico de la matriz y de la fibra, el porcentaje de fibra y matriz, etc… El ángulo de las fibras con el eje X, afectará a la deformación del material compuesto debido a tensiones axiales o cortantes y viceversa, para conseguir una cierta deformación, dependiendo del ángulo de las fibras necesitaremos aplicar unos determinados esfuerzos.

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 18


Diseño y Caracterización con Materiales Poliméricos y sus Compuestos (E.P.S. Alcoy – Ingeniería de Materiales)

Vemos en estos gráficos la variación de las deformaciones del compuesto ante diferentes ángulos de fibra, con una tensión de σx,σy,τxy constante:

0,9 0,8

% deformación

0,7 0,6

0,5

Ex

0,4

Ey

0,3

Yxy

0,2 0,1 0 0

100

200

300

Ángulo (º)

Se puede observar como existe periodicidad en la deformación del compuesto; dependiendo del ángulo, aparecen mayores o menores deformaciones. Lo mismo ocurre para conseguir una cierta deformación, dependiendo del ángulo de las fibras necesitaremos unos determinados esfuerzos, tal y como se pueden observar en el gráfico:

300

Tensión (MPa)

250 200 Qx

150

Qy 100

Txy

50 0 0

100

200

300

Ángulo (º)

Ver archivo adjunto, ejercicio_03_xlsx

Ingeniería de Materiales (EPS Alcoy) Alumno: Vicente Jover Peris

Página 19

practicas  

practicas de rafa balart

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you