Tiempo de ciclo: Ciencia vs. reglas empíricas, parte 2

Comprender el enfriamiento, cómo un material dado desarrolla módulo a medida que se solidifica, requiere acceso a datos que brinden una idea de la relación entre el módulo y la temperatura. El análisis mecánico dinámico es una herramienta útil.

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En la columna de octubre del año pasado, discutí la conexión frecuentemente citada entre la temperatura de deflexión bajo carga (DTUL) para un material dado y la temperatura apropiada a la cual una pieza moldeada de ese material puede ser expulsada del molde sin mostrar una distorsión excesiva, mientras enfría a temperatura ambiente. No todos se suscriben a esta correlación directa. Hace aproximadamente un mes leí un artículo que con confianza les decía a los lectores que un material debe enfriarse a una temperatura igual al 80% de la DTUL para poder expulsarlo con éxito del molde. Por el momento, dejemos de lado la cuestión de dónde proviene esta "regla empírica" y examinemos cómo la industria intenta utilizar estas pautas.


Por lo general, las temperaturas en las ecuaciones que usamos para calcular el tiempo de enfriamiento se dan en la escala Celsius. Si la DTUL de un material, como un nylon 66 con relleno de fibra de vidrio al 40%, se da como 250 C, un cálculo simple nos da el 80% de DTUL como 200 C. Pero si decidimos usar la escala Fahrenheit, entonces convertimos 250 C a 482 F. Cuando realizamos el mismo cálculo, no obtenemos el mismo resultado. El ochenta por ciento de 482 F es 385.6 F, que se convierte en 196 C.


Esto puede parecer una diferencia trivial, pero el absurdo de usar cualquiera de estas escalas se vuelve más evidente cuando bajamos la temperatura hasta el punto donde los valores se vuelven negativos. No medimos la DTUL de elastómeros por las razones mencionadas en el artículo anterior. Pero si lo hiciéramos, siempre obtendríamos un valor que está por debajo de la temperatura ambiente e incluso por debajo de cero. En los elastómeros, tendemos a referirnos a la temperatura en la que el material comienza a construir el módulo rápidamente como la temperatura de fragilidad, y en realidad se asocia con una transición muy importante que ocurre en todos los polímeros conocidos como transición vítrea.

Considere un elastómero como Santoprene 203-50, un TPV que tiene la dureza más alta de cualquier grado en esta línea de productos. La temperatura de fragilidad del material figura en la hoja de datos como -18.4 F, que se convierte en -28 C. Si toma el 80% de la temperatura Fahrenheit, obtiene un valor de -14.7 F. Para la escala Celsius, el valor es -22.4 C. De cualquier forma, el resultado es una temperatura más alta. Y, por cierto, -22.4 C es igual a -8.3 F, más de 6 grados de diferencia del resultado que obtenemos al calcular desde la escala Fahrenheit. Además, cualquier persona que haya moldeado este material sabe que no tiene que enfriarse a esta temperatura para expulsarlo del molde. Este enigma se aplicará a cualquier elastómero.


Físicos y químicos aprendieron hace mucho tiempo que la temperatura está relacionada con la movilidad molecular. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la movilidad de los átomos o moléculas en el material. Dada esta comprensión, todas las ecuaciones diseñadas apropiadamente que involucran temperatura usan una escala donde cero está asociado con el cese del movimiento de traslación. Se llama cero absoluto y la escala más utilizada es la escala Kelvin, que es la escala Celsius desplazada aproximadamente 273 grados. Es posible realizar el mismo ajuste a la escala Fahrenheit, en cuyo caso el ajuste es de aproximadamente 459 grados y la escala resultante se conoce como la escala de Rankine. Al menos, si utilizáramos estas escalas, al tomar el 80% de una temperatura determinada en ambas escalas, obtendríamos el mismo resultado.


Considere replantear el cálculo en la escala Kelvin para el nylon relleno de vidrio. El valor de 250 C ahora se convierte en 523 K, y el 80% de este nuevo valor nos da 418.4 K o 145.4 C en lugar de los 200 C que calculamos usando la escala Celsius. Un cambio similar ocurriría si cambiamos de Fahrenheit a Rankine. El valor de 482 F se convertiría en 941 R, y el 80% de este valor da 752.8 R o 293.8 F, que es igual a 145.4 C dentro de una décima de grado.


Entonces, al convertirnos a la escala absoluta nos deshacemos de dos problemas. Primero, no hay más errores incorporados en el cálculo de un porcentaje que depende de la escala que elijamos. Segundo, evitamos el problema de calcular un valor que va a una temperatura más alta cuando tomamos un porcentaje de una propiedad térmica publicada. Pero entonces podríamos necesitar reformular nuestra regla empírica del 80%, porque de repente nuestra temperatura de eyección ha disminuido en 55 C. ¿Eso significa que hemos estado corriendo demasiado rápido todos estos años?


Afortunadamente, este pequeño ejercicio para corregir nuestras ecuaciones no es importante, porque la noción de que un simple porcentaje de una propiedad que está mal definida (¿qué DTUL usamos?) y no tiene valor como propiedad de ingeniería se puede usar para calcular el tiempo de ciclo es ridícula. Enfriar un material a una temperatura eyectable se trata de cómo un material dado desarrolla el módulo a medida que se solidifica. Para entender esto, es necesario que tengamos acceso a los datos que proporcionan una idea de la relación entre el módulo y la temperatura. Para esto, utilizamos una técnica analítica conocida como análisis mecánico dinámico (DMA).


El DMA nos proporciona una inmensa cantidad de información sobre las propiedades de los materiales. Pero para los fines de esta discusión, centrémonos en una de las salidas más simples y fáciles de entender del instrumento: el módulo elástico en función de la temperatura. Sabemos que a medida que un material se enfría se vuelve más rígido, el módulo del material aumenta. A menudo no nos damos cuenta de cómo se produce ese aumento de módulo con un cambio específico en la temperatura. Aquí es donde el DMA es muy útil.


La Figura 1 muestra gráficas de módulo elástico para un polímero amorfo, policarbonato, y un polímero semicristalino, nylon 6. En ambos casos, los materiales no tienen carga. Típicamente, estos resultados se generan calentando una muestra del material a una velocidad particular y monitoreando continuamente el módulo elástico. Es evidente que la relación entre el módulo y la temperatura difiere significativamente dependiendo de la estructura del material. Los polímeros amorfos como el policarbonato experimentan un cambio significativo en el módulo al aumentar la temperatura. Esta es la transición vítrea, y da como resultado una pérdida casi total de rigidez a medida que el material pasa a través de este rango de temperatura relativamente estrecho.
 

Los polímeros semicristalinos pasan por un proceso más complicado. Exhiben una reducción relativamente significativa en el módulo a medida que pasan a través de la transición vítrea. Pero a diferencia de los polímeros amorfos, la disminución no es completa. En cambio, se logra una nueva meseta que está relacionada con la contribución de la estructura cristalina. Esta meseta se mantiene hasta que el material se aproxima a la temperatura a la cual se funden estos cristales.


Los ingenieros que diseñan piezas, especialmente para servicio a temperatura elevada, deben leer estas curvas de izquierda a derecha, observando las regiones de temperatura donde ocurren cambios significativos en el módulo. Saber, por ejemplo, que el módulo de un nylon 6 sin relleno a 100 C es solo el 20% del módulo a temperatura ambiente puede ayudar al ingeniero de diseño a tomar decisiones acertadas sobre la geometría de la pieza si se trata de manejar el estrés a esta temperatura más alta . Los procesadores, sin embargo, deben leer estas curvas de derecha a izquierda, porque esto describe cómo aumenta el material en rigidez a medida que se enfría. Habrá un pequeño desplazamiento en las temperaturas asociadas con estas transiciones importantes, pero el comportamiento general será el mismo tanto para el calentamiento como para la refrigeración.


El próximo mes, veré más de cerca estas curvas y espero que dejen de lado la noción de que la temperatura de deflexión bajo carga, o algún porcentaje de esa propiedad, independientemente de cómo se calcule, tiene algo que ver con la temperatura a la cual se puede desmoldear una pieza.

 

ACERCA DEL AUTOR: Mike Sepe es un consultor independiente de materiales y procesamiento global cuya empresa, Michael P. Sepe, LLC, tiene su sede en Sedona, Arizona. Tiene más de 40 años de experiencia en la industria de los plásticos y ayuda a los clientes con la selección de materiales, diseño para procesamiento, optimización de procesos, resolución de problemas y análisis de fallas. Contacto: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com.