El gran incremento desarrollado en la producción
y consumo de materiales plásticos en los diferentes sectores económicos
ha ido acompañado de una modernización en las técnicas de caracterización
y control de los mismos,
poniendo a disposición de los profesionales de los plásticos
una gran variedad de técnicas para tal fin.
Entre ellas.
Hoy día el análisis térmico está siendo ampliamente utilizado tanto
en el estudio como en la caracterización de estos materiales.
El análisis térmico está definido por la Confederación
Internacional para el Análisis Térmico como el conjunto de técnicas
mediante las cuales una propiedad física o química de un material
es medida en función de la temperatura.
Las diferentes técnicas que se agrupan
bajo la denominación de análisis térmico son
colorimetría diferencial, análisis térmico grave y métrico,
Análisis termo mecánico
Análisis termodinámico mecánico
Análisis óptico.
La termografía o TGA
es una técnica que permite conocer la degradación de un material plástico,
determinando la pérdida de masa que experimenta cuando aumenta
la temperatura.
En los últimos años se ha perfeccionado
la instrumentación dirigida al estudio y determinación
de la estabilidad térmica de los materiales plásticos.
En respuesta a la demanda exigida en el desarrollo de nuevos materiales
que posean buena resistencia térmica en atmósfera
oxidante.
La estabilidad térmica de un material plástico polímero
está condicionada no sólo por sus características intrínsecas.
Estructura química de la unidad mono América
Peso molecular, linealidad o ramificación,
Practicidad de la cadena, existencia
de polimerización o entrecruzamiento.
Sino también por la existencia de impurezas,
presencia de aditivos, cargas, etc.
El seguimiento de la estabilidad térmica de un material plástico
se estudia controlando las pérdidas de masa
que se producen como consecuencia de su degradación.
La termografía y Metric
permite también cuantificar los productos de degradación,
evaluar los parámetros cinéticos y describir los cambios
físicos y químicos del material durante la degradación.
De esta manera, el análisis termo grave y métrico
se convierte en una técnica fundamental en el estudio de la
estabilidad térmica de los materiales plásticos.
El análisis
puede realizarse de dos formas diferentes,
una de ellas de forma dinámica, mediante
un programa controlado de temperatura, velocidad constante
y la otra de forma ISO terma a tiempos variables.
En ambos casos se registra en el correspondiente termografía
la pérdida de masa a cada temperatura o a cada tiempo, según
haya sido el procedimiento seguido durante el ensayo.
La derivada de la curva termo, grava métrica o DTG
determina la velocidad de pérdida de masa
y la temperatura de máxima descomposición.
Un equipo de TGA
se compone básicamente de un sistema capaz de medir la variación
de la masa de la sustancia por acción de la temperatura,
es decir, de una termo balanza.
El esquema muestra los diferentes componentes
de un equipo convencional de TGA.
La termo balanza es el componente fundamental del equipo
y se compone a su vez de un horno y de una balanza.
El horno es donde se coloca
la muestra a analizar.
En él
se encuentran dos entradas de gases en la parte superior con el fin
de realizar el ensayo en atmósfera inerte
u oxidante.
Posee
además una salida de los gases de descomposición
que pueden ser recogidos y condensados en un traje
para su identificación posterior.
En el caso
de que el TGA se encuentre acoplado a diferentes equipos analíticos,
el otro
componente de la balanza es la balanza.
Este equipo tiene una precisión de más
0,1 microgramos.
La termo balance se conecta al procesador,
que es el elemento donde se programan las condiciones del análisis
que permite a la vez evaluar los termo gramas,
procesar y almacenar la información obtenida.
Este se complementa con un ordenador para facilitar mediante un software
el manejo de la información, cálculos, etc.
Otros elementos periféricos, como la impresora y el plotter
permiten registrar los termo gramas, los cálculos realizados,
las condiciones del ensayo, etc
para conseguir una buena
reproducibilidad de los resultados obtenidos mediante TGA.
Deben mantenerse lo más próximas posible
las condiciones en las que se realizan los ensayos.
Relación.
Superficie y volumen de la muestra. Caudal
de los gases inertes y oxidantes en los que se realiza el ensayo.
Velocidad de calentamiento.
Etcétera. Así.
Cuando un plástico es sometido a un TGA en unas determinadas condiciones
se obtiene su correspondiente termo grama característico.
Mediante su estudio puede establecerse la escala
térmica de utilización de un plástico comercial.
La curva de GEA muestra
la pérdida de masa en función de la temperatura.
Este termografía corresponde a un ensayo
dinámico en atmósfera variable.
En él se distinguen varias regiones de
la región.
Uno. Corresponde a la pérdida de masa de los componentes volátiles.
Agua plastificada.
Disolventes.
La región dos corresponde
a la degradación térmica del Polibio
en ambos tramos.
La atmósfera es inerte.
La región tres muestra mediante el cambio de atmósfera oxidante
la combustión de los residuos no volátiles de la degradación dos
y de las cargas minerales.
La región cuatro corresponde a las cenizas
y cargas inertes del plástico.
El equipo permite obtener la curva derivada de la descomposición
denominada de TG y representa la velocidad de degradación
en función de la temperatura
mediante el acoplamiento del TG a A otras técnicas analíticas
puede caracterizarse la naturaleza
de los productos de degradación del material.
Así, por ejemplo, si el tejido se encuentra acoplado
a un cromatografía de gases c g
pueden identificarse los productos de descomposición identificando
el tiempo de retención en el cromatografía.
Si el cromatografía es preparativo.
Pueden recogerse los productos en colectores separados
para ser identificados posteriormente de manera inequívoca
mediante técnicas analíticas complementarias.
Mediante
la espectroscopia infrarroja y R se identifican los grupos funcionales
presentes en el producto de descomposición.
Con la espectroscopia de resonancia magnética nuclear
RMN se determinan las posiciones que ocupan
los átomos en la molécula a caracterizar
la espectrometría de masas M
Permite determinar el peso molecular de la sustancia
y confirmar la estructura a través de la e Identificar acción
de los fragmentos resultantes registrados en el espectro.
La utilización conjunta de dos técnicas calor y métricas.
La colorimetría diferencial de barrido o DSC y el TGA
permite relacionar la temperatura de transición TG
determinada en un DSC con la cantidad de aditivos presentes
en un plástico.
Por todo lo expuesto hasta el momento.
La técnica de análisis, termografía y métrico permite pues obtener una
información rápida y precisa acerca de la composición
y comportamiento de los materiales polímeros.
Se utiliza tanto en el campo de investigación
y desarrollo como en el de control de calidad
en el campo de investigación y desarrollo.
Suministra información sobre
investigación teórica de
nuevos materiales y procesos.
Selección de materiales.
Optimización de formulaciones,
Desarrollo de aplicaciones,
Predicción de utilización.
Evaluación de productos competitivos
en el campo de control de calidad.
Se utiliza para
confirmar la identidad del material.
Otorgar el certificado de calidad.
Optimizar los procesos de fabricación.
Ensayar el producto terminado.
Detectar posibles fallos.
Veamos algunos casos prácticos
de los mencionados en ambos campos de aplicación.
El conocimiento de la
relación estructura Propiedades de un material polímero de un plástico
permite diseñarlo a medida para aplicaciones concretas.
Una vez sintetizado el producto en el laboratorio
debe ser sometido a diferentes ensayos que permitan conocer
la respuesta del material ante situaciones reales de uso.
Entre otras.
Se puede determinar la vida media del material a distintas temperaturas,
la degradación del mismo y la cinética que sigue su descomposición en
este material, que sigue
sintetizado recientemente en un laboratorio de investigación,
va a ser ensayado mediante termo gravity tria para obtener información
sobre su comportamiento térmico
mediante el tarado del crisol que va a contener la muestra.
Se introducen en el mismo alrededor de diez miligramos
de producto
en el procesador.
Se programa en las condiciones en que se va a realizar el ensayo.
Temperatura inicial 30 grados centígrados Velocidad de calentamiento
20 grados por minuto Temperatura final
800 grados centígrados.
Una vez finalizado el ensayo,
aparecerá el termografía en la pantalla del ordenador.
Si observa que la descomposición
tiene lugar en dos etapas
para valorar la pérdida de masa
en cada una de ellas se utiliza el software del equipo.
Se establecen los límites de
cada descomposición y aparece en pantalla el resultado
mediante la primera derivada de la curva de descomposición.
Se determina la velocidad de pérdida de masa en cada etapa.
El mínimo de la derivada corresponde
a la mayor velocidad de pérdida en cada etapa.
Con el análisis termo grade métrico se conoce la máxima temperatura
de utilización del material sin que sufra degradación.
Si se pretende estimar la vida media de un material,
es necesario acelerar su envejecimiento,
ya que en los métodos tradicionales utilizados para este fin se necesita
bastante tiempo, semanas o meses para obtener tal información.
Sin embargo, el seguimiento de la cinética de descomposición
mediante termografía y metric ofrece una alternativa rápida
que proporciona los resultados en algunos minutos.
Para ello se determina el diagrama de descomposición del material
en atmósfera oxidante a diferentes velocidades de calentamiento,
determinando la temperatura a la que corresponde
una pérdida de material de un 5%.
Posteriormente se calcula la energía de activación del proceso
y a partir de esta se traza el diagrama Temperatura
tiempo de descomposición.
El material base de un neumático es un caso.
La determinación de los componentes de un producto terminado complejo
formado por mezclas de otros varios como puede ser un neumático
se realiza rápidamente mediante análisis termo gravy metálico.
En la composición de un caso comercial intervienen fundamentalmente
mezcla de las tómelos
plastificar entes
aditivos como azufre, residuos de bajo peso molecular
como disolventes, monómeros, etcétera y negro de carbono,
rellenos inorgánicos.
La degradación térmica
se realiza primeramente por piro lisis en atmósfera inerte.
Para conocer el contenido en caucho de la muestra
y los productos de bajo peso molecular que les acompañan.
Posteriormente se continúa el calentamiento
en atmósfera oxidante para determinar el negro de carbono.
El residuo del material que queda en el crisol.
Corresponde a los rellenos inorgánicos o cargas inertes.
Sobre esta muestra de neumático formada por una mezcla de caucho,
se va a identificar mediante un proceso de grada tipo.
Su comportamiento.
Para conseguir buenos resultados conviene que la muestra presente
gran relación superficie volumen para facilitar la salida de los gases
generados en la descomposición.
Se define
un programa de temperatura programado en atmósfera inerte y oxidante.
Como se dijo anteriormente.
El cambio de atmósfera se realiza automáticamente mediante
una válvula de selección de gases que lleva incorporado el equipo.
En el programa obtenido
se observan cuatro tramos diferentes,
el primero comprendido entre 160 y 220 grados centígrados
corresponde a la pérdida de los componentes volátiles
entre 270 y 500 grados centígrados.
Se observa un punto de inflexión en la gráfica.
Esto indica que hay dos componentes diferentes
a 650 grados y en
atmósfera oxidante se produce la descomposición del negro de carbono
mediante la derivada de la curva termo grave métrica.
Queda determinada
la temperatura de máxima descomposición de cada componente.
En este caso uno de los cauchos lo hace a 270 grados
y el otro a 445.
Controlar la dosificación
de componentes en una formulación de un plástico
es fundamental para optimizar su procesado, así como para conseguir
las propiedades adecuadas para una aplicación concreta.
Mediante la combinación de dos técnicas de análisis térmico,
la colorimetría diferencial de barrido y la termografía métrica,
se puede determinar la cantidad de aditivos principalmente plasti
secantes que pueden incorporarse a un plástico para que sea utilizable
dentro de un margen definido de prestaciones.
Tal es el caso del poly cloruro de vinilo PVC.
Este plástico se presenta en el mercado
en dos formas diferentes rígido y flexible.
En ambas lleva incorporado una serie de aditivos estabilizadores
térmicos, plastificar, rellenos, etcétera en proporciones variables.
Lo que origina que tenga propiedades y aplicaciones muy diferentes.
El poly cloruro de vinilo rígido se utiliza
en la fabricación de tuberías, contenedores,
mientras que el poly cloruro de vinilo flexible se utiliza
en el recubrimiento de cables eléctricos de paredes
en pavimentos.
La diferencia fundamental entre ambos
radica en la proporción de plastificar incorporado en cada caso.
Por cada 100 partes de PVC.
La forma rígida lleva de 3 a 6 partes de plastificar.
Mientras que la flexible aumenta la proporción por encima del 25%.
La adición de plastificar al TVT ejerce
una acción positiva sobre el mismo en el momento de su procesado,
ya que hace que aumente su lubricidad y que disminuya la
viscosidad del fundido.
A la vez, disminuye la
temperatura de transición vítrea del mismo P
que condiciona de manera muy directa las condiciones
de uso del material
para cada tipo de
plastificar y cantidad del mismo incorporado al PVC.
Existe un valor distinto de la PG.
La utilización conjunta de las técnicas, calor y métricas
anteriormente mencionadas permite realizar gráficos
de la variación de la temperatura de transición vítrea
frente al contenido de plastificado.
Estos diagramas son muy útiles
para realizar las determinaciones rutinarias en el seguimiento
del control de calidad de fabricación de productos de PVC o de un plástico.
En general.
Para ello
basta determinar por termografía métrica el contenido de plastificar
en una formulación para saber cual va a ser su campo de aplicación
al quedar identificada su temperatura de transición BIC.
Aquí tenemos varias muestras de PVC del mismo fabricante
sobre las que vamos a realizar una determinación de su composición
utilizando el TGA en combinación con el DSC.
Realizamos primeramente el estudio de su composición
y posteriormente determinamos el valor de su temperatura de transición.
Con los datos obtenidos se construye el diagrama de
contenido en clasificando.
Por todo lo expuesto anteriormente,
la técnica, termografía y métrica aplicadas al campo de los polímeros
representa una herramienta muy potente en la caracterización del material
y predicción de las aplicaciones del mismo,
en la dosificación
adecuada de aditivos para una aplicación concreta
y en la determinación del control de calidad del producto terminado.