Propiedades Mecánicas de los Polímeros
Los polímeros responden al estrés de una manera intermedia entre los sólidos elásticos y los líquidos viscosos, por lo que su rigidez, resistencia y tenacidad dependen de la temperatura, el tiempo y la velocidad, y se describen mediante la viscoelasticidad y la elasticidad del caucho.
Definition
Las propiedades mecánicas de los polímeros son su rigidez, resistencia, deformabilidad y absorción de energía bajo carga, que surgen del comportamiento viscoelástico que combina la elasticidad similar a la de un sólido y el flujo similar al de un líquido, y dependen de la temperatura, la velocidad y la estructura molecular.
Scope
Este tema abarca el comportamiento mecánico de los polímeros: la viscoelasticidad lineal y los módulos de almacenamiento y pérdida, la fluencia y la relajación de la tensión, la equivalencia tiempo-temperatura de la respuesta mecánica, la elasticidad del caucho de las redes reticuladas, la cedencia, el estiramiento y la fractura, y cómo la masa molar, la cristalinidad, la reticulación y la temperatura determinan conjuntamente las propiedades últimas.
Core questions
- ¿Por qué la respuesta mecánica de los polímeros depende del tiempo y la temperatura?
- ¿Cómo describen los módulos de almacenamiento y pérdida el comportamiento viscoelástico?
- ¿Qué origen molecular confiere al caucho su elasticidad entrópica?
- ¿Cómo controlan la masa molar, la cristalinidad y la reticulación la resistencia y la tenacidad?
Key theories
- Viscoelasticidad lineal
- La respuesta del polímero al estrés combina contribuciones elásticas y viscosas, capturadas por los módulos de almacenamiento y pérdida dependientes de la frecuencia y por las funciones de fluencia y relajación de la tensión, y unificadas a través de las temperaturas mediante la superposición tiempo-temperatura.
- Teoría entrópica de la elasticidad del caucho
- La fuerza restauradora de un caucho reticulado estirado es entrópica, surge de la entropía conformacional reducida de las cadenas de la red extendidas, por lo que el módulo es proporcional a la densidad de reticulación y aumenta con la temperatura absoluta.
Mechanisms
Por debajo de la transición vítrea, un polímero es un vidrio rígido que puede fallar de manera frágil; por encima de ella, las cadenas amorfas son móviles y el material es gomoso o, si no está reticulado y por encima de cualquier punto de fusión, fluye. Los entrelazamientos confieren a los fundidos y sólidos una red elástica transitoria, mientras que los enlaces cruzados permanentes dan una verdadera elasticidad de caucho gobernada por la entropía. Bajo carga, los polímeros pueden ceder por bandas de cizallamiento o crazing, estirarse para alinear las cadenas y fortalecerse en la dirección del estiramiento, y finalmente fracturarse; el equilibrio entre estos procesos, establecido por la masa molar, la cristalinidad, la reticulación y la velocidad, determina si un material es frágil o tenaz.
Clinical relevance
El control de las propiedades mecánicas es la base de la ingeniería de polímeros: la elasticidad del caucho permite la fabricación de neumáticos, sellos y elastómeros; el alto módulo y la resistencia derivados de la orientación y la cristalinidad permiten la fabricación de fibras y películas; y el endurecimiento mediante fases de caucho o crazing controlado permite la fabricación de plásticos resistentes al impacto. El análisis viscoelástico guía el diseño contra la fluencia, la fatiga y la falla dependiente de la temperatura y la velocidad.
History
La teoría cinética de la elasticidad del caucho, que relaciona el módulo con las cadenas de la red y con la entropía, se desarrolló en la década de 1940 y fue codificada por Treloar y Flory; el tratamiento sistemático de la viscoelasticidad de los polímeros, incluida la superposición tiempo-temperatura, fue establecido por Ferry y otros en las décadas de 1950 y 1960.
Key figures
- Paul Flory
- John Ferry
- Leslie Treloar
Related topics
Seminal works
- sperling2006
- flory1953
Frequently asked questions
- ¿Por qué el mismo polímero se siente rígido cuando se golpea rápidamente pero fluye lentamente bajo una carga sostenida?
- Los polímeros son viscoelásticos: en tiempos cortos o a altas velocidades, las cadenas no pueden reorganizarse y responden elásticamente, mientras que en tiempos largos se relajan y fluyen. Esta dependencia del tiempo subyace a la fluencia, la relajación de la tensión y la tenacidad sensible a la velocidad.
- ¿Por qué una banda elástica se vuelve más rígida cuando se calienta?
- La elasticidad del caucho es entrópica. El estiramiento disminuye la entropía conformacional de las cadenas de la red, y la fuerza de retracción es proporcional a la temperatura absoluta, por lo que el calentamiento aumenta la fuerza de retracción en lugar de ablandar el caucho.