Análisis de polímeros
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Análisis de polímeros
El análisis de polímeros es una rama de la ciencia de materiales y la química analítica que se encarga de caracterizar las propiedades físicas, químicas, estructurales y mecánicas de los materiales poliméricos. El objetivo es entender la relación entre la estructura del polímero (a nivel molecular) y sus propiedades finales, lo cual es crucial para el control de calidad, el desarrollo de nuevos materiales y la solución de problemas. El análisis de polímeros estudia las propiedades físicas y químicas de macromoléculas para determinar su composición, estructura, comportamiento y calidad, usando técnicas como espectroscopía infrarroja (FTIR), análisis térmico (TMA), reología y microscopía para identificar materiales, detectar defectos y garantizar el cumplimiento de normativas en industrias como automoción, embalaje y electrónica.
Propósitos del análisis de polímeros
- Identificación y caracterización: Determinar el tipo de polímero, su estructura y composición química.
- Control de calidad: Asegurar que los materiales cumplen con las especificaciones, mediante la cuantificación de aditivos, cargas y la detección de contaminantes o defectos.
- Análisis de fallos: Investigar las causas de los defectos o fallos en componentes plásticos, como la distribución no homogénea de componentes.
- Cumplimiento normativo: Verificar que los polímeros satisfacen las normas nacionales e internacionales relacionadas con la seguridad y el impacto ambiental.
- Desarrollo de productos: Optimizar el procesamiento y la formulación de materiales para obtener las propiedades deseadas en nuevos productos.
Técnicas comunes de análisis de polímeros
El análisis de polímeros es multidisciplinario y utiliza una amplia gama de técnicas instrumentales. Se pueden clasificar según la propiedad que se desea estudiar.
- Espectroscopía Infrarroja (FTIR):Qué hace: Identifica grupos funcionales en la molécula. Es la técnica más rápida y común para identificar un polímero.
- Espectrometría de Masas (MS):Qué hace: Determina la masa de moléculas e iones. A menudo se acopla a técnicas como la pirólisis o la cromatografía.
- Espectroscopía Raman:Qué hace: Complementaria al FTIR, proporciona información sobre la estructura molecular y la cristalinidad.
- Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (RMN):Qué hace: Proporciona información detallada sobre la estructura química, la tacticidad y la composición de copolímeros.
- Cromatografía de Permeación en Gel (GPC) o Cromatografía de Exclusión por Tamaños (SEC):Qué hace: Es la técnica más importante para determinar el peso molecular promedio (Mn, Mw) y la distribución de pesos moleculares (PDI).
- Cromatografía Líquida de Alta Resolución (HPLC):
- Qué hace: Separa y cuantifica aditivos, monómeros residuales y oligómeros.
- Pirólisis-Cromatografía de Gases/Espectrometría de Masas (Py-GC/MS):Qué hace: Calienta la muestra en ausencia de oxígeno para descomponerla (pirólisis) y luego analiza los fragmentos volátiles con GC/MS.
- Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC):Qué hace: Mide las transiciones térmicas, como la Temperatura de Transición Vítrea (Tg), la temperatura de fusión (Tm), la entalpía de fusión y la cristalinidad.
- Análisis Termogravimétrico (TGA):Qué hace: Mide el cambio de masa de una muestra en función de la temperatura.
- Análisis Mecánico Dinámico (DMA):Qué hace: Mide las propiedades viscoelásticas (módulo elástico, módulo de pérdida) en función de la temperatura, el tiempo o la frecuencia.
- Microscopía Electrónica de Barrido (SEM):Qué hace: Proporciona imágenes de alta resolución de la superficie. Con un detector de EDS (Espectroscopía de Rayos X por Dispersión de Energía) puede realizar análisis elemental.
- Microscopía Óptica:Qué hace: Permite observar la muestra con aumento. A menudo se usa con luz polarizada.
- Ensayo de Tracción/Compresión/Flexión: Mide la resistencia, la deformación y el módulo elástico.
- Reometría: Estudia el flujo y la deformación de polímeros fundidos o en disolución (viscosidad, comportamiento viscoelástico).
Aplicaciones principales
- El análisis de polímeros es fundamental en diversos sectores
- Automoción: Para garantizar la durabilidad y seguridad de los componentes.
- Envase y embalaje: Asegurando la integridad y calidad de los materiales para proteger los productos.
- Electrónica: Verificando las propiedades eléctricas y físicas de los materiales.
- Construcción: Evaluando la calidad y el rendimiento de los materiales poliméricos utilizados en edificación.
Acondicionamiento
Prácticamente, todos los métodos de prueba especifican un período de acondicionamiento, antes de la prueba, en una "atmósfera estándar". Los términos atmósfera, atmósfera de acondicionamiento, atmósfera de prueba y atmósfera de referencia, que realmente se explican por sí mismos, se definen en ISO 558. ISO 554 es una norma general que especifica atmósferas estándar, pero hay una norma separada que cubre específicamente temperaturas y humedades. para acondicionamiento y ensayo de probetas de caucho. Esto solía ser ISO 471 pero ahora está incorporado en ISO 23529. El estándar británico es idéntico. Acondicionamiento y prueba de atmósferas Las condiciones estándar son (a) 23°C y 50% de humedad relativa y (b) 27°C y 65% de humedad; esta última condición está prevista para su uso en países tropicales. Cuando solo se requiere el control de la temperatura, esto es 23 o 27°C, y una atmósfera adicional en la que no es necesario controlar la temperatura ni la humedad se define como 'temperatura y humedad ambiente predominantes'. Ya no se incluye una nota que llama la atención sobre la atmósfera a 20°C y 65% de humedad relativa que se usaba para textiles. Las tolerancias normales son 2°C de temperatura y 10% de humedad relativa; sin embargo, se prevén tolerancias más estrechas, si es necesario, de 1 C y 5% de humedad relativa. Este es un cambio bienvenido con respecto a las condiciones anteriores cuando las tolerancias de humedad estándar del 5% y el 2% no eran razonables, ya que el 2% es virtualmente imposible de lograr y el 5% discutible. Cabe señalar que 20°C es la temperatura habitual para los laboratorios de calibración, aunque en la mayoría de los casos la diferencia de 3 no tendrá un efecto significativo. Cuando la prueba se lleva a cabo a temperaturas ambiente distintas de las normales, el acondicionamiento debe realizarse a la temperatura de prueba. Cuando se controlan tanto la temperatura como la humedad, el tiempo de acondicionamiento estándar es un mínimo de 16 h, y cuando la temperatura solo se controla a 23 o 27°C, un mínimo de 3 h. A temperaturas subnormales y elevadas, simplemente se especifica que el tiempo debe ser suficiente para que la pieza de prueba alcance el equilibrio con el medio ambiente. Se han proporcionado tablas de tiempos aproximados requeridos para alcanzar el equilibrio tanto en aire como en medios líquidos para una amplia gama de temperaturas y varias geometrías de probetas, y una selección relevante de estas se reproduce en un anexo a la norma. Además, se dan instrucciones específicas en algunos estándares de métodos de prueba. Generalmente, 3 h en aire es más que suficiente para alcanzar el equilibrio a las temperaturas normales de 23 y 27°C, cualquiera que sea la geometría de la probeta. Por lo general, se usarían tiempos bastante más cortos a temperaturas subnormales o elevadas y es importante tener en cuenta que, aunque se requiere un tiempo mínimo, un tiempo excesivo a una temperatura elevada puede causar un envejecimiento significativo antes de la prueba. Generalmente se asume que la humedad no es importante en la mayoría de las pruebas de caucho y, por lo tanto, generalmente se especifica el acondicionamiento en una atmósfera con control de temperatura solamente. Sin embargo, el control de la humedad se considera necesario en ciertos casos, por ejemplo, pruebas de caucho de látex y pruebas eléctricas. En muchos casos, el período mínimo de acondicionamiento de 16 h no será suficiente para alcanzar el equilibrio, especialmente con probetas relativamente gruesas. Por lo tanto, todo lo que este acondicionamiento puede esperar lograr es llevar piezas de prueba que tienen dimensiones similares en condiciones más casi comparables de lo que serían de otra manera. Para alcanzar el equilibrio de humedad completo, en muchos casos se necesitarían varios días y, para probetas más gruesas, probablemente semanas. Inevitablemente, hay ciertos casos especiales, por ejemplo, después de las pruebas de envejecimiento acelerado, las normas ISO y británicas especifican el acondicionamiento entre 16 hy 6 días, lo que es una estipulación similar a los períodos de almacenamiento mínimo y máximo después del conformado. El máximo de 6 días se basa en que las muestras deterioradas pueden deteriorarse aún más con relativa rapidez. No parece que se hayan publicado pruebas de esto, pero hay pocas dudas de que, después de la exposición a líquidos, el retraso posterior antes de la prueba será crítico debido al secado o al ataque químico adicional. Esto se soluciona especificando la prueba inmediatamente o después de secar a 40°C y acondicionar durante 3 ha 23°C. Otro caso especial es cuando se ha realizado una preparación distinta al moldeado, por ejemplo, pulido o corte. En la norma de ensayo de tracción ISO, se especifica que el ensayo debe realizarse entre 16 y 72 h después del pulido, quienes encontraron que las piezas de ensayo pulidas muestran una caída gradual en la resistencia a la tracción y elongación. en ruptura con el tiempo. Otra excepción más es después del acondicionamiento mecánico cuando al menos una norma especifica 16–48 h entre el acondicionamiento mecánico y la prueba. Resulta evidente que, a pesar de los estándares para los tiempos de almacenamiento y acondicionamiento, es esencial estudiar cada método de prueba con mucho cuidado para asegurarse de que se sigue el procedimiento exacto especificado. En este contexto, debe tenerse en cuenta que los estándares no son consistentes en cuanto a si la pieza de prueba se corta antes o después del período de acondicionamiento. Aunque en la mayoría de los casos no importaría lo que se hizo, habrá casos en los que el resultado podría verse afectado. Hay una breve consideración del acondicionamiento en ASTM D1349. Condiciones estándar para pruebas. En ausencia de tales requisitos, se dan 12 h como mínimo a 23°C. En algunos métodos de prueba de ASTM, hay instrucciones para acondicionar a la temperatura de prueba dada en la cláusula de temperatura de prueba. También se ha hecho referencia en algunos métodos al D618, que es la práctica para acondicionar plásticos. Esto parece una cooperación loable entre dos comités de normas, pero es muy inconveniente ya que D618 está en otro libro de ASTM. ASTM también tiene una norma, D832, que cubre el acondicionamiento para pruebas de baja temperatura para las que no existe un equivalente internacional. Este documento explica la teoría subyacente de probar los cauchos para los efectos de las bajas temperaturas y proporciona los procedimientos de acondicionamiento para las pruebas mecánicas. No está claro cómo se derivaron los tiempos sugeridos.
Condiciones de prueba
El objeto del acondicionamiento es llevar la pieza de prueba lo más cerca posible al equilibrio con una atmósfera estándar, y es razonable que la atmósfera de prueba sea idéntica a la atmósfera de acondicionamiento. ISO 23529 da esto por sentado, pero debe haber margen para permitir que las piezas de prueba acondicionadas en una atmósfera se prueben en una atmósfera menos rigurosa en los casos en que los cambios no afecten los resultados. La aplicación más común de relajar las condiciones de prueba es después del acondicionamiento a 23°C y 50% de humedad relativa para probar a 23°C sin control de humedad, y esta es una práctica perfectamente sólida si la prueba se realiza con relativa rapidez. Por lo general, no es una buena práctica acondicionar a temperaturas subnormales o elevadas y luego probar a 23°C a menos que la pieza de prueba sea muy voluminosa y la prueba se realice extremadamente rápido. Ofrece una lista de temperaturas subnormales y elevadas preferidas. Esta lista que cubre el rango de interés para las pruebas de caucho se ha tomado de la gama mucho más amplia dada en el documento general de ISO sobre temperaturas de prueba preferidas ISO 3205. Cabe señalar que las tolerancias dadas en ISO 23529 no concuerdan completamente con las de ISO 3205, las tolerancias más estrictas en la primera reflejan la mayor dependencia de la temperatura del caucho en comparación con muchos otros materiales. Las temperaturas (C) preferidas de ISO 23529 son: 85ºC; 70; 55; 40; 25; 10; 0; 40; 55; 70; 85; 100; 125; 150; 175; 200; 225; 250; 275; 300 La tolerancia para 40-100 es 1°C y para los demás 2°C. La lista equivalente dada en ASTM D1349, temperaturas estándar para la prueba, no es idéntica, se da 75 en lugar de 85, 155 en lugar de 150 y se agregan varias temperaturas intermedias. Además, la tolerancia es de 2°C hasta 180°C y 3°C a partir de entonces. ISO especifica las duraciones preferidas de las pruebas para cuando las pruebas se realizan en función del tiempo. Estos son bastante lógicos, 8 y 16 h, 1, 2, 3 y 7 días y múltiplos de 7 días. Sin embargo, la lógica de las tolerancias dadas es bastante más difícil de apreciar, ya que no son consistentes en términos de porcentaje ni lo que se puede lograr fácilmente para minimizar la incertidumbre. Por ejemplo, la tolerancia de 2 h con una exposición de 24 h es superior al 8%.