Temperatura de flexión por calor (HDT) vs DMA en plásticos de ingeniería

Hace veinte años, una sesión en la conferencia técnica anual de la Sociedad de Ingenieros Plásticos (ANTEC) se dedicó a revisar los métodos estándar utilizados para medir las propiedades de los plásticos que se proporcionan habitualmente en una hoja de datos de materiales.

El objetivo de la sesión era examinar la forma en que siempre hemos hecho las cosas y proponer enfoques alternativos cuando fuera necesario. El procedimiento fue publicado como un trabajo independiente y las presentaciones llegaron durante ese año a otras organizaciones, incluida la Sociedad de Ingenieros de Automoción (SAE).

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El análisis mecánico dinámico (DMA) se ha propuesto como una alternativa más válida a la HDT durante al menos 20 años, las actuales aplicaciones de ingeniería más críticas para los plásticos hacen que el cambio sea aún más urgente. (Foto: DMA 850 de TA Instruments)

Hice una presentación en esa sesión dedicada a la propiedad de la temperatura de flexión bajo carga (DTUL), también conocida en la industria como la temperatura de flexión por calor (HDT).

En ese artículo sugerí que la industria necesitaba una mejor manera de informar sobre el comportamiento dependiente de la temperatura de los materiales plásticos. El método alternativo que propuse se conoce como análisis mecánico dinámico (DMA).

HDT frente a DMA para caracterización térmica

Veinte años después, se están publicando todavía preguntas en varios ámbitos de la industria sobre la utilidad relativa del HDT frente al DMA. La mayoría de las respuestas a estas preguntas sugieren una falta de familiaridad con el DMA y un nivel de comodidad con la forma en que siempre hemos hecho las cosas, lo cual, considerando lo que está en juego, es algo inquietante. La prueba para la HDT se desarrolló en los primeros años de pruebas de plásticos y no es difícil entender que se haya considerado útil hace 40 o 50 años.

Si hay interés en identificar un rango de temperatura donde un material puede fallar, colocar un haz de ese material bajo algún tipo de carga y luego elevar la temperatura hasta que el material se ablande o se derrita parece tener sentido.

Poco se esperaba de los materiales plásticos en ese momento. El concepto de plásticos como materiales de ingeniería estaba empezando a entrar en consideración dentro de la industria y el público en general todavía pensaba que estos materiales eran adecuados solo para juguetes, popotes y artículos para el hogar de gama baja, a pesar del hecho de que el nylon y el poliéster estaban bien establecidos y estaba sucediendo lo mismo con polímeros como acetal, policarbonato y polisulfona.

Aplicaciones críticas y exigencias de temperatura

Hoy, se hacen piezas para dispositivos médicos, automóviles y camiones, y la industria aeroespacial. El reemplazo del metal es ya frecuente; e incluso las aplicaciones que fueron pioneras en la década de 1960, como los engranajes de plástico, están logrando una mayor precisión y mayores niveles de potencia de lo que se consideraba que podían alcanzar incluso hace 10 años.

Con esta mayor sofisticación, se esperaría que los ingenieros y diseñadores necesitaran una imagen más completa del comportamiento dependiente de la temperatura de los materiales plásticos. Pero casi toda la información disponible sobre los efectos de las temperaturas elevadas sigue estando limitada a una medición de la HDT. El problema con esta visión limitada del comportamiento de los polímeros es que muy pocos ingenieros y diseñadores entienden lo que esta prueba está midiendo.

Una vez recibí el dibujo de una pieza que requería un grado particular de ABS con retardancia a la llama. Una nota en el dibujo estipulaba que la pieza debía soportar una exposición continua a una temperatura de 190 F (87 C).

El requisito no era realista, sobre todo porque el período de tiempo asociado con “continuo” no estaba definido, y el número parecía sospechosamente familiar. Una comprobación de la hoja de datos mostró que esta temperatura era la HDT publicada. Se necesitó una larga conversación para explicar al ingeniero que había escrito el requisito de que la HDT no podía ser tratada como una representación del rendimiento a largo plazo de la temperatura elevada.

Al igual que la mayoría de las propiedades proporcionadas en una hoja de datos, la HDT define lo que no funciona; no nos dice nada sobre lo que un material puede hacer.

Esto fue declarado muy claramente por un representante de un proveedor de materiales hace muchos años cuando dijo a los asistentes en una sesión técnica: “Solo recuerden, si hay un número en la hoja de datos, algo malo sucedió en ese momento”. La resistencia a la tracción se mide en la fluencia y en la rotura, resultados que nunca queremos experimentar en el mundo real.

La resistencia al impacto proporciona la energía necesaria para romper la muestra de prueba. Y la HDT define la temperatura a la que una muestra de prueba moldeada de una geometría muy específica sufre un cierto grado de flexión cuando se coloca bajo un esfuerzo de tensión determinado.

Los esfuerzos utilizados bajo el protocolo ASTM son tan bajas que son risibles: 66 psi (0.455 MPa) y 264 psi (1.82 MPa). Hace unos meses, recibí una llamada de un profesor universitario al que un cliente había pedido realizar la prueba de HDT. No estaba familiarizado con el procedimiento y cuando calculó la cantidad de fuerza que se necesitaría para lograr el esfuerzo requerido, el valor que obtuvo fue tan bajo que estaba convencido de que había cometido un error.

Pero no había cometido un error; los esfuerzos asociados con la prueba son ridículamente bajos. Veo rutinariamente gráficas de análisis de elementos finitos (FEA) que muestran esfuerzos máximos de 3000-5000 psi (20-35 MPa). ¿Qué posible relevancia pueden tener las mediciones del rendimiento a temperatura elevada cuando se realizan con esfuerzos inferiores al 10% de aquellas a las que planeamos utilizar nuestras piezas? ¿Qué obtendríamos de una prueba de HDT realizada en estos altos niveles de esfuerzo?

Esfuerzos ASTM frente a condiciones de servicio

La gente de ISO ha intentado inyectar un poco de realidad a la prueba. ISO 75, el método que corresponde a ASTM D 648, establece un tercer nivel de esfuerzo de 1160 psi (8,00 MPa). Sin embargo, ha tardado en adoptarse. No es difícil ver que cuando se aumenta el nivel de esfuerzo asociado con la prueba de HDT, la temperatura a la que se produce la falla disminuirá.

La magnitud de esta disminución dependerá en gran medida del material que se está probando, por razones que se harán evidentes cuando completemos la imagen con datos adicionales. Pero, como ejemplo, la HDT de 15% del nylon 6 reforzado con fibra de vidrio se mide en aproximadamente 400 F (205 C) bajo un esfuerzo de 264 psi. A 1160 psi, el valor disminuirá a aproximadamente 175 F (80 C).

Hay una renuencia obvia por parte de los proveedores de materiales a comenzar a publicar los valores más bajos, especialmente porque saben que muchas personas que leen las hojas de datos no miran la letra pequeña que define las condiciones de prueba. Además, casi todos los materiales sin relleno fallarían a temperatura ambiente bajo este mayor esfuerzo.

Si una prueba diseñada para medir el rendimiento a temperatura elevada produce una falla inmediata a temperatura ambiente en miles de materiales cuando se aplican esfuerzos realistas, plantea preguntas sobre la utilidad de la prueba en general.

Entonces, ¿por qué seguimos haciéndolo? La respuesta más simple es que siempre lo hemos hecho de esa manera. O tal vez la industria no está segura de con qué reemplazar la prueba. Como sucede con casi todos los valores de una hoja de datos, representan puntos en una curva.

La resistencia al rendimiento a la tracción es un punto en una curva de esfuerzo-deformación a la tracción. La resistencia al impacto es un punto en una gráfica de energía recogida durante la duración de la prueba de impacto. Y la HDT es un punto en el que el módulo del material que se está probando disminuye a un punto específico.

En una época en la que aspiramos a reemplazar el aluminio y el acero, la pregunta obvia es: ¿por qué no simplemente proporcionar la curva y dejar que los ingenieros encuentren el punto que les interesa para sus aplicaciones? Eso es lo que haremos en nuestro próximo artículo.

Acerca del autor

Michael Sepe.

Michael Sepe

Consultor independiente sobre materiales y procesamiento, a nivel global, cuya compañía, Michael P. Sepe, LLC, tiene su sede en Sedona, Arizona. Tiene más de 40 años de experiencia en la industria del plástico y asesora sus clientes en selección de materiales, diseño para manufactura, optimización de procesos, solución de problemas y análisis de fallos. Contacto: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com