Laboratorio de Tecnología de Polímeros (LATEP)

Área de propiedades térmicas, reología y propiedades básicas

Análisis térmico por calorimetría diferencia de barrido (DSC)

La calorimetría diferencia de barrido es una técnica termoanalítica que mide el flujo de calor entre una muestra y una referencia para mantener ambas a la misma temperatura cuando el sistema es sometido a un programa controlado de temperatura. A través de la técnica de DSC se pueden evaluar reacciones químicas (degradaciones térmicas, procesos de oxidación), transiciones de primer orden (procesos de fusión y cristalización) y transiciones vítreas que pueden darse en la muestra bajo ciertas condiciones de análisis. El método de análisis se encuentra descrito en la norma ISO 11357, siendo los métodos principales llevados a cabo:

Procesos de fusión y cristalización (ISO 11357-3)

Transiciones vítreas (ISO 11357-2)

Tiempo de inducción a la oxidación(ISO 11357-6)

Determinación del calor específico (ISO 11357-4)

Análisis termogravimétrico de polímeros (TGA)

El análisis termogravimétrico a través de la curva de variación de peso (TGA) y su primera derivada (DTGA) se evalúa la pérdida de peso de una muestra cuando ésta es sometida a una rampa de temperatura generalmente hasta su temperatura de descomposición. La mayor parte de las curvas TGA presentan pérdida de peso cuyo origen está en reacciones químicas (descomoposición y separación del agua de cristalización, combustión, reducción de óxidos metálicos) y transformaciones físicas (evaporación, vaporización, sublimación, desorción, desecación), aunque excepcionalmente se pueden producir ganancias de peso (reacción con componentes gaseosos del gas de purga con formación de compuestos no volátiles, adsorción de productos gaseosos en las muestras).

Temperatura de flexión bajo carga (HDT)

La temperatura de flexión bajo carga (HDT) se define como la temperatura a la cual una probeta prismática confeccionada con un material plástico, rígido a temperatura ambiente, sufre un determinado valor de deformación bajo una cierta carga (0.45, 1.8 ó 8.0 MPa) y como consecuencia de una elevación programada de la temperatura (50 ó 120 °C/hora). Este método es aplicable a materiales rígidos a temperatura ambiente. El procedimiento de ensayo se encuentra descrito en las normas ISO 75 y ASTM D648.

Temperatura de reblandecimiento VICAT

La temperatura de reblandecimiento VICAT se define como la temperatura a la cual una aguja de punta plana penetrará 1 mm en el interior de una probeta plana de material plástico rígido a temperatura ambiente bajo unas ciertas condiciones de carga (10 ó 50 N) y velocidad de calentamiento (50 ó 120 ºC/hora). Las condiciones para el análisis están descritas en las normas ISO 306 y ASTM D1525.

Determinación del índice de fluidez

El índice de fluidez se basa en la medida de la cantidad de gramos de polímeros que en unas ciertas condiciones de esfuerzo y temperatura fluyen a través de una boquilla de diámetro interno normalizado (2.095 mm). El valor del índice de fluidez estará claramente influido por las propiedades físicas y estructura molecular del polímero (peso molecular, anchura de la distribución, ramificaciones, etc.). El valor del índice de fluidez junto con el análisis de posibles distorsiones del fundido a la salida de la boquilla determinará el método de procesado del polímero. El procedimiento de ensayo se encuentra descrito en la norma ISO 1133.

Reometría capilar

A través de la reometría capilar se puede estudiar el comportamiento reológico de los materiales poliméricos en estado fundido. El material es forzado a fluir a través de un capilar de dimensiones normalizadas determinándose la dependencia funcional entre el caudal y la caída de presión debida a la fricción. A través de la reometría capilar podrá determinarse la curva de flujo del material polimérico objeto de estudio. Estos ensayos se realizan fuera del límite de viscoelasticidad lineal y son capaces de simular las condiciones reales que sufre el polímero durante el procesado. Las condiciones para el análisis están descritas en la norma ISO 11443.

Reometría dinámica

A través de la reometría dinámica de torsión, se puede estudiar el comportamiento reológico de los materiales poliméricos en estado fundido. A diferencia de la reometría capilar, en estos equipos se puede trabajar dentro del intervalo de viscoelasticidad lineal. En este caso el material se introduce entre el sistema de medida, dónde el elemento superior realiza movimientos oscilatorios de torsión, ejerciendo sobre la muestra un esfuerzo de cizalla que varía de manera sinusoidal. A partir del desfase que se registra entre la deformación que se ha inducido y la respuesta del material se obtienen las funciones viscoelásticas. Las condiciones de ensayo para determinar las propiedades dinamomecánicas están descritas en la norma ISO 6721. Este equipo también permite realizar ensayos de flujo y experimentos de fluencia o “creep”.

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier

La espectroscopía infrarroja es una importante herramienta para la identificación de un polímero a través de la observación de su espectro vibracional tras su interacción con la radiación infrarroja. La frecuencia de vibración dependerá de la naturaleza química de los átomos implicados en la vibración así como del tipo de vibración (tensión o flexión). La zona de radiación infrarroja abarca las radiaciones con longitudes de onda comprendidas entre 1,0 mm y 714 nm (10-4000 cm-1) aunque la más empleada en la práctica correspondiente al infrarrojo medio, entre 2,5 y 20,5 μm (4000-400 cm-1).

Determinación de la densidad

La densidad de un material es una característica física básica que estará directamente relacionada con sus propiedades físicas y aplicación final. Entre los métodos existentes para determinar la densidad en el LATEP está el método de columna de gradientes, preparada con disoluciones de etanol y agua y que mide densidades comprendidas entre 0.7900 y 1.0000 g/cc. Por otro lado, el LATEP cuenta con una balanza hidrostática para evaluar la densidad siguiendo el método de inmersión que se basa en la determinación de la densidad del polímero midiendo primero su peso real en aire y a continuación su peso aparente sumergido en agua o en etanol.

Área de propiedades mecánicas

Propiedades en tracción

El ensayo de tracción es, probablemente, el ensayo más utilizado para caracterizar mecánicamente un material. La base del ensayo consiste en estirar una probeta desde sus extremos hasta producir su rotura, registrando continuamente la fuerza aplicada y el alargamiento producido. A partir de estas dos magnitudes se puede determinar la curva esfuerzo-deformación característica del comportamiento mecánico de cada material. Los parámetros básicos a determinar son el módulo de elasticidad, esfuerzo y deformación en el punto de fluencia (si existiera) y la resistencia y el alargamiento a rotura.

Propiedades en flexión

Los ensayos de flexión se utilizan principalmente como medida de la rigidez. Este ensayo es casi tan habitual en materiales poliméricos duros como el ensayo de tracción, y tiene las ventajas de simplificar el mecanizado de las probetas y evitar los problemas asociados al empleo de mordazas. El parámetro más importante que se obtiene de un ensayo de flexión es el módulo de elasticidad (también llamado módulo de flexión).

Resistencia al impacto

En los ensayos de resistencia al impacto se aplica sobre las probetas un esfuerzo repentino a alta velocidad. La utilidad de este tipo de ensayos surge de que los impactos son hechos habituales en la vida en servicio de los materiales, de ahí que se hayan desarrollado metodologías para poder determinar la resistencia que van a tener los materiales bajo estas circunstancias. En el LATEP se dispone de dos tipos diferentes de ensayos de impacto basados en péndulo: el impacto Charpy y el impacto Izod. En ambos casos es posible emplear probetas de geometría prismática lisas o entalladas, sobre las que se determina la energía absorbida en la rotura de la probeta.

Propiedades dinamomecánicas en polímeros

El análisis dinamomecánico es una de las herramientas más empleadas para el estudio de las propiedades viscoelásticas de los polímeros mediante la medida de su módulo elástico y de su amortiguación tras la aplicación de un esfuerzo sinusoidal sobre las probetas. De la relación que hay entre la amplitud de la oscilación y la fuerza se determina el módulo elástico del material, mientras que del desfase entre fuerza y desplazamiento se determina el coeficiente de amortiguación del polímero. La variación de las propiedades viscoelásticas de los materiales con la temperatura permite identificar las diferentes transiciones que se dan en el material.

Determinación de la dureza

La dureza de un material se caracteriza a través de la resistencia que opone a ser penetrado por un cuerpo duro de geometría definida, dependiendo su valor del módulo de elasticidad y de las propiedades viscoelásticas del material. Según el tipo de penetrador, carga utilizada y de la velocidad de aplicación de la misma, el ensayo de dureza recibe diferentes denominaciones. El LATEP realiza ensayos de dureza Rockwell y Shore (escalas A y D). Los ensayos de dureza Rockwell emplean un penetrador piramidal de diamante. De la profundidad medida de la huella se determina directamente sobre un dial la dureza del material. Para la dureza Shore, la más común en materiales poliméricos, se utiliza un penetrador troncocónico, y se aplica una fuerza de 10 N en Shore A y de 50 N en shore D para los grados poliméricos más duros.

Área de propiedades en disolución

Determinación de pesos moleculares en polímeros: Método de cromatografía de permeación de gel (GPC)

Un flujo constante de disolvente arrastra una disolución de polímero a través de una serie de columnas termostatizadas a alta temperatura en las que se lleva a cabo la separación de las cadenas poliméricas en función de su tamaño. El posterior análisis mediante un detector de índice de refracción y otro de viscosidad permite cuantificar la cantidad de polímero presente en función del tiempo de retención. Un calibrado previo (calibración universal) relaciona dicho tiempo de retención con la masa molecular. De este modo se determina la distribución de masas moleculares, y a partir de ella se calculan magnitudes fundamentales para los polímeros como son las masas moleculares promedio y la polidispersidad.

Determinación de pesos moleculares en polímeros: Método de dispersión de luz en multiángulo (GPC-MALS)

La utilización conjunta de las técnicas cromatografía de permeación de gel y dispersión de luz permite determinar pesos moleculares absolutos de polímeros (sin necesidad de calibrado previo), el radio de giro cuadrático medio, que nos proporciona una idea del tamaño del polímero, y el valor del segundo coeficiente virial, lo que nos da una idea de la conformación del polímero en disolución.

Fraccionamiento analítico por elución mediante aumento de temperatura (TREF)

En polímeros semicristalinos, la distribución de la composición química (DCC) junto con la distribución de pesos moleculares determinará la microestructura del polímero. En poliolefinas la presencia, contenido y distribución de cadenas laterales determinará en gran medida sus propiedades, siento crítico su caracterización estructural previa. En la técnica de TREF se realiza en disolución una primera etapa de enfriamiento sobre un soporte inerte, para el fraccionamiento del polímero de acuerdo a su capacidad de cristalización. En una segunda etapa, etapa de elución, se irá aumentando la temperatura y pasando flujo sobre la columna de fraccionamiento de modo que las fracciones de polímero eluyan en el tiempo de acuerdo con su capacidad de cristalización.

Fraccionamiento por análisis de la temperatura de cristalización (CRYSTAF)

La técnica de CRYSTAF busca de un modo rápido la determinación de la composición química del polímero (DCC). En la técnica de CRYSTAF, a diferencia de TREF, el análisis consta de una única etapa, en la que se realiza la cristalización en continuo de las cadenas de un polímero a partir de una disolución diluida. El análisis se realiza midiendo la concentración del polímero en la disolución durante la cristalización a medida que se reduce la temperatura. El análisis será la medida de la concentración del polímero que permanece disuelto en la disolución a cada temperatura.

Fraccionamiento preparativo por composición

El fraccionamiento preparativo por composición permitirá la separación física de las diferentes familias que determinan la distribución de composición química del polímero de acuerdo a su capacidad de cristalización. Esto permitirá disponer de cada una de esas familias para una posterior caracterización de cada una de ellas a través de diferentes técnicas analíticas como pueden ser GPC, TREF, CRYSTAF, RMN, DSC, TGA, etc.

Área de resistencia a la fractura ambiental

Resistencia al agrietamiento por tensión ambiental (ESCR)

El ensayo de ESCR es un ensayo específico para polietilenos y consiste en evaluar su resistencia al agrietamiento cuando el material está sometido a tensión ambiental. Las resinas de polietileno son altamente resistentes a la mayoría de los químicos y solventes en ausencia de esfuerzos. Sin embargo, muchos polietilenos muestran agrietamiento cuando son expuestos al mismo ambiente químico bajo esfuerzos poliaxiales. El ensayo ESCR está descrito en la norma ASTM D1693, donde una placa de polietileno a la que se le ha introducido previamente una entalla y se ha doblado a fin de aumentar la concentración de tensiones en la región de la entalla es sometida a la acción de un agente tensioactivo a una temperatura en general de 50 °C. El ensayo consiste en evaluar el tiempo que tarda en crecer una grieta en la muestra.

Ensayo PENT: Resistencia al proceso de crecimiento lento de grieta en polietileno

El ensayo PENT (Pennsylvania Notch Tensile test) es exclusivo de los polietilenos que vayan a utilizarse para fabricación de tuberías para la conducción de agua o gas. El ensayo determina la resistencia al crecimiento lento de grieta del material. En el ensayo, descrito en las normas ASTM F1473 e ISO 16241, una muestra con forma de prisma rectangular, a la que previamente se le han introducido tres entallas coplanares, es sometida a un esfuerzo axial perpendicular al plano de la entalla a una temperatura de 80 °C. Tras un cierto periodo de tiempo se originará una grieta en el material que crecerá en su interior. El ensayo PENT determina el tiempo al que se produce el fallo final de la probeta.

Resistencia al agrietamiento por ozono

El ensayo de resistencia al ozono evalúa la resistencia al agrietamiento por ozono en muestras de caucho. El ozono ataca generalmente el caucho oxidando y rompiendo los dobles enlaces siguiendo una reacción de escisión oxidativa que lleva consigo la degradación del polímero. Para evaluar la resistencia se utiliza una cámara de ozono en la que se genera una concentración generalmente de 50 ó 200 ppcm a una temperatura de 40 °C. Generalmente se evalúan probetas de caucho a las que se le han introducido algún tipo de deformación inicial para favorecer la acción del ozono sobre la muestra. Por inspección visual se determina la evolución del estado del material con el tiempo y la posible aparición de grietas.

Cámara climática por lámpara de Xenon

Equipo para simular la exposición a la intemperie en condiciones de laboratorio mediante la radiación por lámpara de Xenon y el ajuste de la humedad y temperatura deseada. El equipo también permite la realización de ciclos que simulen las condiciones reales a las que el material será sometido.

Área de preparación de muestras

Homogeneización en rodillos de laboratorio

Algunos materiales como el polietileno, copolímeros de propileno y algunos cauchos termoplásticos son a menudo moldeados por compresión con el fin de obtener una placa de espesor normalizado que permita llevar a cabo los ensayos de caracterización necesarios para determinar sus propiedades. Para ello previamente se realiza un proceso de calandrado en rodillos de laboratorio, en la que se busca el homogenizado y compactado previo del material de origen (generalmente granza o copo) así como su mezclado previo con antioxidantes y antidegradantes.

Moldeo por compresión

Tras el proceso de homogeneización, la preforma obtenida se introduce en el interior de un molde y en una prensa hidráulica de platos calientes se lleva a cabo el proceso de moldeo por compresión a una determinada presión y temperatura (siempre por encima de su temperatura de fusión). Tras un cierto tiempo a la temperatura y presión de moldeo, se aplica una rampa de enfriamiento (generalmente 15 ºC/min) hasta temperatura ambiente. El buen control de la rampa de enfriamiento determinará la cristalización controlada del material lo cual influirá directamente en su caracterización posterior.

Mecanizado de probetas

Para la obtención de las probetas normalizadas para ensayo de una placa previamente moldeada el LATEP utiliza una fresadora robotizada con control triaxial que permite reproducir sobre la placa moldeada por compresión cualquier probeta previamente diseñada cuyas dimensiones sean de acorde a la normativa correspondiente.

Entallado de probetas

Algunos ensayos precisan de la incorporación de imperfecciones controladas en el material que impliquen un punto de concentración de tensiones. Estas entallas deben introducirse de una manera muy controlada en lo que se refiere a su geometría (ángulo, radio, etc.) y manera de incorporación (velocidad de entallado).

Área de propiedades térmicas, reología y propiedades básicas

• Calorímetro Diferencial de Barrido DSC Mettler 822e de alta sensibilidad, el cual puede trabajar en un rango de temperaturas comprendido entre -150 y 500 °C.
• Analizador Termogravimétrico TGA/DSC1 de Mettler Toledo que opera desde temperatura ambiente hasta 1100 °C.
• HDT / VICAT 6 estaciones INSTRON/CEAST los cuales operan desde temperatura ambiente hasta 300 °C.
• Plastómetro INSTRON/CEAST para determinación de índice de fluidez que puede operar entre 23-400 °C.  
• Plastómetro robotizado de Gottfert para determinación de índice de fluidez.
• Reómetro de torsión TA Instruments DHR-2 con control de velocidad angular entre 0 y 300 rad/s, equipado con horno para trabajar entre 25 y 600ºC.
• Reómetro capilar de Malvern Instruments, Rosand RH7. Rango de temperaturas: 25 - 400 °C y velocidad de extrusión de hasta 500 mm/min.
• Espectrofotómetro FT-IR Varian Excalibur 3100 que puede operar en modo transmisión o en modo de reflectancia total atenuada (ATR).
• Columna de gradientes para la determinación de la densidad en polímeros.
• Balanza hidrostática para la determinación de la densidad en polímeros.

Área de propiedades mecánicas

• Máquina universal de ensayos INSTRON 5565 de 5 kN con cámara de temperatura para ensayos desde -100 hasta 360 °C.
• Máquina universal de ensayo MTS Alliance de 5 kN.
• Máquina universal de ensayo MTS Insight de 30 kN.
• Péndulo de impacto instrumentado INSTRON/CEAST con equipamiento para realizar ensayos desde -70 hasta 130 °C.
• Analizador dinamomecánico DMA Q800 (TA Instruments) capaz de trabajar en un rango de frecuencias de 0.01 a 200 Hz y temperaturas desde -150 hasta 600 °C.
• Durómetros para dureza Shore.
• Durómetro para dureza Rockwell.

Área de propiedades en disolución

• GPC de alta temperatura Waters Alliance2000.
• GPC de alta temperatura Polymer Char GPC-IR5.
• Detector MALS de DAWN EOS (Wyatt Technology).
• TREF-CRYSTAF analítico Polymer Char (modelo 200+) (2 equipos).
• TREF preparativo Polymer Char PREPmc2 para fraccionamiento preparativo de polímeros por composición o por peso molecular.

Área de resistencia a la fractura ambiental

• Equipo para ensayo PENT de 12 estaciones (2 equipos).
• Equipo para ensayo PENT y determinación de curva COD.
• Cámara de ozono HAMPDEM 2000AM, capaz de generar una concentración de ozono controlada de hasta 200 ppcm.
• Cámara climática Atlas Ci4000 Weather-Ometer.

Área de preparación de muestras

• Rodillos de laboratorio IQAP-LAP (23 – 400ºC).
• Prensas hidráulica de platos calientes Collin (23 - 250ºC) con grupo de frío para control de rampa de enfriamiento de acuerdo a normativas internacionales.
• Prensas hidráulica de platos calientes IQAP-LAP (23 - 250ºC) con grupo de frío para control de rampa de enfriamiento de acuerdo a normativas internacionales.
• Fresadora robotizada INSTRON/CEAST de probetas.
• Entalladora INSTRON/CEAST de probetas.
• Proyector de perfiles BATY para verificación geométrica de probetas.