COMPORTAMIENTO VISCOELÁSTICO DE LOS POLÍMEROS

Otra propiedad que es característica de los polímeros es la viscoelasticidad. Esta propiedad determina la deformación que experimenta un material cuando se somete a combinaciones de esfuerzo y temperatura a través del tiempo. Como su nombre lo indica, es una combinación de viscosidad y elasticidad. Explicaremos la viscoelasticidad con referencia a la figura 3.19. Las dos partes de la figura muestran respuestas típicas de dos materiales a la aplicación de un esfuerzo por debajo del punto de fluencia durante cierto periodo de tiempo. El material en la parte (a) exhibe una perfecta elasticidad; cuando el esfuerzo cesa, el material regresa a su forma original. En cambio, el mate rial en la parte (b) muestra un comportamiento viscoelástico. La cantidad de deformación aumenta gradualmente a través del tiempo bajo el esfuerzo aplicado. Cuando se retira el esfuerzo, el material no regresa inmediatamente a su forma original, sino que la deformación decae gradualmente. Si el esfuerzo se hubiera aplicado y removido inmediatamente, el material podría haber retornado de inmediato a su forma original, pero el tiempo hizo su aparición y jugó su papel afectando el comportamiento del material.

Se puede desarrollar un modelo simple de viscoelasticidad usando como punto de partida la definición de elasticidad. La elasticidad se expresa concisamente por la ley de Hooke, σ = E∈, la cual simplemente relaciona el esfuerzo con la deformación mediante una constante de proporcionalidad. La relación entre esfuerzo y deformación en un sólido viscoelástico depende del tiempo, puede expresarse como: 

σ (t) = f(t) ∈ 

La función tiempo f(t) puede conceptualizarse como un módulo de elasticidad que depende del tiempo. Podemos escribir E(t) y considerarlo como un módulo viscoelástico. La forma de esta función del tiempo puede ser compleja, incluyendo a veces la deformación como un factor. De cualquier manera, podemos explorar los efectos de la dependencia del tiempo sin tomar en cuenta las expresiones matemáticas en sí. Un efecto común se puede ver en la figura 3.20, donde se observa el comportamiento esfuerzo-deformación de un polímero termoplástico bajo diferentes velocidades de deformación. A una baja velocidad de deformación el material exhibe un flujo viscoso significativo, y a una alta velocidad de deformación se comporta de una manera mucho más frágil.

La temperatura es un factor en viscoelasticidad. A medida que ésta aumenta, el comportamiento viscoelástico se hace cada vez más prominente sobre el comportamiento elástico y el material se asemeja más a un fluido. En la figura 3.21 se ilustra esta dependencia de la temperatura de un polímero termoplástico. A temperaturas bajas, el polímero muestra un comportamiento elástico. A medida que ésta aumenta T por encima de la temperatura de transición vítrea Tg, el polímero se convierte en viscoelástico. Conforme la temperatura se incrementa, se convierte en un material blando de consistencia ahulada. Y a temperaturas todavía mayores exhibe características viscosas. La temperatura a la cual aparecen estos comportamientos varía de acuerdo al tipo de plástico. También la forma de la curva del módulo contra la temperatura difiere de acuerdo a la proporción de estructuras cristalinas y amorfas del termoplástico. Los elastómeros y polímeros termofijos se comportan de forma diferente a la mostrada en la figura; estos polímeros no se ablandan a temperaturas elevadas como lo hacen los termoplásticos, sino que se degradan (carbonizan).

El comportamiento viscoelástico se manifiesta en los polímeros fundidos como una memoria de su forma. Cuando una fusión densa de un polímero se transforma durante su procesamiento de una forma a otra, el polímero mantiene una inercia a su antigua forma y trata de volver a tomar su antigua geometría; por ejemplo, un problema común en extrusión es el aumento de volumen del dado, en el cual el perfil del material extruido crece en tamaño, reflejando su tendencia a regresar a la sección transversal más grande que tenía en el barril de extrusión, antes de ser comprimido a través del orificio más pequeño del dado de extrusión. Examinamos las propiedades de viscosidad y viscoelasticidad con más detalle en nuestra revisión de los procesos de conformado de plásticos.