Estudio de las propiedades mecánicas en tracción del procesado de plástico a escala de laboratorio y a nivel industrial

Uno de los frentes actualmente más atractivos en la industria del plástico es el desarrollo de nuevos materiales con propiedades mejoradas (mecánicas, eléctricas, térmicas, ópticas, ignifugas, barrera, etc). En este sentido, las nanopartículas han cobrado una gran importancia, ya que proporcionan un sinfín de posibilidades a la hora de aditivar los termoplásticos convencionales, mejorando las propiedades características del material original.

Un factor a tener en cuenta es el precio de estas nanopartículas especiales, ya que pueden costar alrededor de 100 €/ kg las más habituales y entre 1000 y 5000 €/kg los tipos más especiales. Debido al elevado coste de las nanopartículas y por las particularidades del procesado de éstas, el sector de maquinaria de transformación de materiales plásticos ha tenido una evolución paralela al desarrollo de nanopartículas.

Por ello, el Instituto Tecnológico de Juguete (AIJU) ha complementado la línea de trabajo de desarrollo de nuevos materiales con equipos de micro- extrusión y mini- inyección, de manera que para poder realizar la caracterización mecánica de nuevas formulaciones, el consumo de las materias primas se ha reducido aproximadamente en un 85%.

Las propiedades de tracción son las más importantes indicaciones de la resistencia de un material, ya que se registra tanto la fuerza necesaria para tirar de la probeta como el alargamiento durante todo el ensayo.

Previamente a la incorporación de nanoaditivos se ha realizado un estudio con el material sin aditivar. Para ello, se ha procesado el material mediante máquinas de inyección de termoplásticos para moldear un lote de probetas normalizadas con forma de halterio del tipo 1A y otro lote del tipo 1BA, de modo que se puedan comparar las propiedades en tracción procesando el material a nivel industrial y a escala de laboratorio.

Materiales, equipos y métodos experimentales 

El material que se ha empleado para realizar este estudio es el polipropileno homopolímero de Repsol (Isplen PP 080 G2M). Es un grado de alta fluidez para aplicaciones de inyección con una excelente procesabilidad, manteniendo buenas propiedades mecánicas y una alta resistencia química. Las principales propiedades que indica el fabricante en la ficha técnica del material son las que se muestran en la tabla 1.

Propiedad Valor Unidad Método

Índice de fluidez (230 °C, 2,16 kg) 20 g/ 10 min ISO 1133

Densidad 905 Kg/ m3 ISO 1183

Módulo elástico de flexión 1600 MPa ISO 178

Resistencia al impacto Charpy

con entalla, 23 °C 3 kJ/m2 ISO 179

HDT 0.45 MPa 85 °C ISO 75

Dureza Shore 70 Escala D ISO 868

Tabla 1: Principales propiedades del polipropileno

La granza del material se ha transformado mediante moldeo por inyección en probetas normalizadas tipo 1A y 1BA para realizar los ensayos mecánicos de tracción. Para ello, se ha empleado una máquina hidráulica de inyección convencional Demag Ergotech 110- 430H/ 310V y una mini inyectora eléctrica MTT 12/90 HSE. Algunas de las características técnicas de estas máquinas se pueden observar en la tabla 2.

Características Demag MTT

Diámetro del husillo (mm) 40 16

Relación L/ D 20 2

Presión de inyección máxima (bar) 1600 1000

Peso de pieza inyectada en PS (g) 259 12

Fuerza de cierre (kN) 1100 90

Altura mínima de molde (mm) 250 110

Distancia útil entre columnas (mm) 450 x 450 100 x 130

Capacidad de la tolva (kg) 35 3

Tabla 2: Principales características de las máquinas de inyección

Las probetas obtenidas mediante inyección, se han ensayado para determinar las propiedades mecánicas en tracción en una máquina universal de ensayos Instron 6025 según la norma UNE EN ISO 527. Para considerar los valores como representativos se han realizado cinco repeticiones, tomando posteriormente la media aritmética y desviación típica de los valores obtenidos. A partir de las curvas de esfuerzo/ deformación se han calculado los siguientes valores:

• Esfuerzo en el punto de fluencia (σy). Se trata del primer esfuerzo para el cual tiene lugar un aumento de la deformación sin aumentar el esfuerzo.
• Deformación por tracción en el punto de fluencia (σy). Es la deformación por tracción que corresponde al esfuerzo de fluencia.
• Resistencia a la tracción en el punto de rotura (σB). Es el cociente entre la fuerza aplicada y el área de la muestra, en el momento de la rotura.
• Deformación en el punto de rotura por tracción (εB). Es el alargamiento producido en la longitud de referencia de la probeta provocado por un esfuerzo de tracción en el momento de la rotura; se expresa en % respecto a la longitud de referencia.
• Módulo de elasticidad en tracción o Módulo de Young (Et). Representa la relación entre la tensión y el alargamiento por debajo del límite de proporcionalidad.

Resultados y Discusión

Las curvas de esfuerzo/ deformación para las probetas tipo 1A moldeadas en la inyectora hidráulica de fuerza de cierre 1100 kN resultantes, demuetran que no se ha llegado al punto de rotura durante el ensayo, puesto que se trata de un material con una resistencia elevada al tener el punto de rotura a una deformación superior al 350%. Para la probeta tipo 1A de este grado de polipropileno, el recorrido del puente de la máquina universal de ensayos utilizada, no es lo suficientemente grande para deformar las probetas en tracción hasta la rotura.

Las curvas de esfuerzo/ deformación para las probetas tipo 1BA moldeadas en la inyectora eléctrica de fuerza de cierre 90 kN, muestran que sí se aprecia el punto de rotura de las curvas (a deformaciones elevadas, se produce una caída brusca del valor de la tensión).

A partir de estas curvas de esfuerzo/ deformación para los dos tipos de probetas, se han obtenido los valores medios y la desviación típica de las propiedades medidas en tracción, tal y como se muestran en la tabla 3.

Propiedades en tracción Inyectora Inyectora

1100 kN 90 kN

(probeta tipo 1A) (probeta tipo 1BA)

Mt (MPa) 816±36 815±47

σy (MPa) 22,5±0,5 22,4±0,8

Εy (%) 10,7±0,6 9,9±0,5

σB (MPa) -- 24,4±1,5

ΕB (%) -- 591±10

Tabla 3. Resultados obtenidos en el ensayo de tracción

Como se aprecia en la tabla 3, los valores de tensión y deformación en el punto de fluencia y del módulo de Young son similares en ambos casos, no siendo significativas las pequeñas desviaciones.

Conclusiones

La principal conclusión que se obtiene de este estudio es que el moldeo por inyección de materiales termoplásticos a escala de laboratorio reproduce los resultados que se obtienen a escala industrial, siendo una alternativa válida en el caso de disponer de pequeñas cantidades de materias primas o de que éstas tengan un coste elevado como sería el caso de los nanoaditivos o nanocargas.

Otro aspecto destacable de este estudio, es que el tipo de probeta normalizada no es un factor crítico, ya que se han obtenido resultados en los ensayos de tracción tanto con el lote de probetas tipo 1A como con el lote de probetas 1BA.

Autor: Pepi Galvañ