Comprender y gestionar la fluencia en los materiales plásticos

Los plásticos se utilizan de muchas maneras en la industria. Son baratos y ligeros, y se pueden utilizar para muchas cosas diferentes. Pero, como cualquier otro material, los plásticos también tienen problemas. Uno de los mayores es la fluencia. Cuando una fuerza o un calor constantes actúan sobre los productos de plástico, la fluencia puede hacer que fallen o funcionen mal.

Este texto va a hablar de la fluencia con mucho detalle. Queremos ayudar a ingenieros y diseñadores a entenderlo mejor para que puedan utilizar estos conocimientos en su trabajo. Estos conocimientos son muy importantes para garantizar la fiabilidad y seguridad de productos como piezas de automóviles o equipos médicos. También clasificaremos la fluencia en distintas categorías, analizaremos sus causas y hablaremos de cómo solucionarla.

¿Qué es la fluencia en los materiales plásticos?

En el contexto de los materiales plásticos, la fluencia es un proceso de deformación cuya velocidad depende de la tensión, el tiempo y la temperatura aplicados a un plástico. La deformación elástica inceptiva se produce en la fase inicial de utilización de una carga y revierte inmediatamente al levantar la carga. En cambio, la fluencia se mantiene incluso en condiciones normales. Esta situación es aún más evidente en los plásticos porque son más sensibles a los cambios de temperatura y a las tensiones mecánicas.

La fluencia se produce en materiales viscoelásticos, en los que la deformación puede producirse de forma continua a lo largo del tiempo debido al calor o a la tensión. Este comportamiento es especialmente evidente en aplicaciones de carga, como tuberías, piezas estructurales o elementos de sellado sometidos a fuerzas o fluctuaciones de temperatura. Provoca que el material se alargue, pandee o deforme. Por lo tanto, es necesario comprender la fluencia para permitir el funcionamiento seguro de las piezas de plástico en este entorno.

¿Por qué se produce la fluencia en los plásticos?

La fluencia en los plásticos es el resultado de su comportamiento y está asociada a las propiedades viscoelásticas. Propiedad viscoelástica significa que el material se comporta como un sólido elástico y un líquido viscoso al mismo tiempo. Los materiales tradicionales presentan capacidad de deformación elástica bajo carga. Si la carga permanece invariable, se considera "viciosa" la capacidad de seguir deformándose lenta y constantemente con el paso del tiempo. Este comportamiento particular depende de muchos factores, como la cantidad de tensión, la temperatura ambiental reinante o el tipo de plástico.

Factores clave que influyen en la fluencia

1. Niveles de estrés

El grado de tensión en el material plástico determina la velocidad a la que el material es propenso a la fluencia. Las piezas de plástico, en algún momento, experimentan mayores niveles de tensión. Esta tensión hace que las cadenas moleculares se deslicen entre sí con mayor facilidad, lo que provoca una deformación gradual con el tiempo, en lugar de provocar la ruptura de los enlaces moleculares. Esto acaba provocando una deformación rápida y más significativa. Por ejemplo, una fuerza excesiva sobre soportes o vigas de plástico hace que se comben o se alarguen mucho más rápidamente que los que experimentan cargas moderadas.

Debido a su límite elástico finito, la capacidad del material para contrarrestar la fluencia disminuye cuando la carga aumenta hasta niveles elevados. Este escenario desarrolla la necesidad de gestionar la tensión.

La tensión también influye en el aumento de la producción de cadenas moleculares internas colisionadas y en la posterior fluencia gradual del material. Esta distribución provoca una pérdida de la resistencia estructural del material plástico, por lo que, en valor, es probable que falle al cabo de algún tiempo.

Los ingenieros emplean medidas como repartir la carga para reducir la concentración de tensiones, aumentar la sección transversal del componente o seleccionar un plástico más resistente. El conocimiento de los efectos de la tensión y la fluencia permite utilizar plásticos que no se deforman rápidamente en algunas aplicaciones, centrándose en el fallo estructural de las piezas.

2. Temperatura

Uno de los factores críticos de la fluencia es la temperatura. En general, el calor reduce la rigidez del material, haciéndolo más propenso a la deformación bajo tensión mecánica. A medida que aumenta la temperatura, la estructura molecular del plástico se vuelve más móvil, lo que permite que el material se deforme con mayor facilidad.

En efecto, los plásticos modifican su estructura cuando aumenta su temperatura. La estructura molecular y los enlaces se comprimen, lo que permite que las moléculas se desplacen. Esta mayor movilidad disminuye la capacidad de cargar la tensión sanamente y reduce el tiempo para que se produzca el Creep. Por ejemplo, una tubería de plástico en sistemas de agua caliente probablemente se combará más que una tubería similar a temperatura ambiente.

En relación con la temperatura, el nivel de Creep puede variar según el tipo de plástico y sus propiedades únicas. Por ejemplo, temperaturas de transición (Tg) y los puntos de fusión determinan la posibilidad de que se produzca Creep. El polietileno, por ejemplo, tiene una Tg baja y, por tanto, es deformable cuando se somete a temperaturas moderadas para formar Creep.

Los plásticos de alto rendimiento, como la polieteretercetona, son más resistentes al calor que otros plásticos.

Hay opciones para gestionar el aumento de temperatura, como utilizar material a prueba de calor en el diseño del producto o aumentar el componente de aislamiento térmico. Los ingenieros también se aseguran de que la temperatura del entorno operativo no incita al Creep.

3. Tipo de material

Los distintos tipos de plásticos presentan diferencias en su estructura molecular. Los polímeros como el polietileno (PE) tienen fuerzas intermoleculares débiles y una Tg baja. Estos materiales se deforman más fácilmente bajo carga estática a temperaturas moderadas. Tienen moléculas lineales largas que pueden desplazarse entre sí y sufrir una deformación gradual.

Por la misma razón, los plásticos técnicos como el policarbonato (PC) tienen mejor resistencia a la fluencia debido a su estructura molecular más ordenada y mejor estabilidad térmica que los plásticos estándar. Mantienen sus características mecánicas, pero también su estabilidad y solidez a altas presiones durante largos periodos y a temperaturas elevadas. Por ello, estos materiales son adecuados para usos de alta compresión.

Teniendo en cuenta las variaciones en los procesos de fluencia que evidencian los distintos tipos de plástico, los ingenieros pueden decidir fácilmente cuáles son los mejores plásticos.

Medición de la fluencia

Los ingenieros miden la fluencia en curvas de fluencia. Las curvas muestran cómo cambia un material con una carga regular. Los técnicos obtienen estas curvas durante los ensayos de fluencia. Un ensayo de fluencia consiste en que un técnico aplica una carga o tensión definida a un material y mide la deformación a intervalos regulares durante un largo periodo. El tiempo oscila entre horas, días y meses.

El gráfico que obtenemos muestra las tres etapas diferentes de la fluencia. En la primera etapa, que llamamos etapa primaria, el material empieza a deformarse rápidamente al principio, pero luego la deformación se estabiliza. La segunda etapa, o etapa secundaria, se caracteriza por un ritmo de deformación lento y constante. Y en la última etapa, la terciaria, la deformación se acelera mucho y finalmente provoca el fallo del material.

Estas curvas permiten a los ingenieros e investigadores comprender cómo se comportará el material tras un largo servicio. También sirven de guía para estimar el rendimiento del material en condiciones de servicio reales y tomar las decisiones correctas sobre su uso en distintas aplicaciones.

Pasos de un ensayo de fluencia típico

Las pruebas de fluencia implican los siguientes procesos:

1. Aplicación de una carga fija

En la prueba se aplica primero una carga constante sobre una muestra de ensayo del material o una tensión como porcentaje del límite elástico del material. El técnico aplica la carga con precisión para ejercer una presión similar en toda la muestra. Esta carga representa las condiciones de carga reales que puede experimentar el material, como soportar una carga estática o superar una carga constante.

2. Control de la tensión a lo largo del tiempo

Tras aplicar la carga, los técnicos supervisan la capacidad del material para cambiar de forma con frecuencia durante un tiempo determinado. Este control puede durar desde horas hasta días o varias semanas. Los técnicos utilizan galgas extensométricas durante la prueba para controlar cambios tan leves como los de la forma del material.

Mantienen la temperatura constante durante el ensayo, ya que el calor afecta al flujo del Creep en el entorno del ensayo. Esta fase consiste en medir regularmente la deformación del material a lo largo del tiempo para captar los cambios a lo largo de las tres etapas del Creep.

3. Creación de una curva de fluencia

Los técnicos recogen y presentan los datos como un gráfico vertical de tiempo y ejes de deformación. La curva de fluencia resultante ilustra claramente el comportamiento de fluencia del material bajo tensión constante. Los ingenieros pueden deducir varias propiedades a partir de esta curva, incluida la velocidad de fluencia durante la segunda etapa y el tiempo hasta el fallo en la tercera etapa. Al comprender este comportamiento, los ingenieros e investigadores pueden determinar si el material cumplirá las expectativas a largo plazo y se adaptará a determinadas aplicaciones, como la construcción, la industria aeroespacial o la automoción.

Ejemplos reales de fluencia

El caso más familiar de Creep se identifica en las tuberías de plástico. Se producen en los plásticos de las tuberías que transportan agua en cañerías y canales de riego. Estas tuberías experimentan una presión interna del agua, que es constante, por lo que existe una carga continua sobre el material. Con el tiempo, se ejerce presión sobre las tuberías, que pueden colgar o cambiar de forma en las zonas donde se alargan sin refuerzo. Las altas temperaturas, por ejemplo, en los sistemas de calefacción, empujan las tuberías hasta el punto de elongación o fallo mucho más rápido que a temperaturas domésticas medias.

Comprender el concepto de fluencia ayuda a los ingenieros a elegir los materiales adecuados, como el polietileno reticulado (PEX).

La fluencia también afecta a las piezas de automoción, sobre todo a las expuestas a altas temperaturas y tensiones. Por ejemplo, los paneles del salpicadero y los embellecedores interiores de ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) presentan un aspecto descolorido y pierden su forma inicial en pocos años. Estos componentes sufren tensiones mecánicas y están expuestos al calor de la luz solar, lo que da un aspecto desagradable e interfiere en su funcionamiento. Los diseñadores de automóviles alivian esta situación utilizando materiales resistentes al calor, refuerzos o formas de modificar las concentraciones de tensión.

La fluencia es un factor complicado en los dispositivos médicos, ya que la seguridad y la fiabilidad son fundamentales. Por ejemplo, las prótesis deben emplear materiales poliméricos ligeros para su estructura. Estos materiales deben mantener su estructura y rendimiento estables tras años de uso. Las cargas cíclicas provocadas por el peso del paciente y los movimientos pueden hacer que se deformen gradualmente si el material no tiene una alta resistencia a la fluencia. Para gestionar este riesgo, los fabricantes emplean polímeros de alto rendimiento, como la polieteretercetona (PEEK), para fabricar los dispositivos. También incorporan materiales compuestos a los diseños de los dispositivos para hacerlos más duraderos y funcionales durante más tiempo.

Estrategias de diseño para minimizar la fluencia

Las medidas para reducir la fluencia en los materiales plásticos presentados comienzan con la mejora del material, como se ejemplifica en los plásticos reforzados. Añadir fibras como vidrio o carbono al polímero modifica sus propiedades mecánicas. Estos elementos mejoran la capacidad del material para soportar tensiones. Estos refuerzos dificultan el movimiento de las cadenas poliméricas, de modo que a la larga pueden deslizarse unas sobre otras. Por ejemplo, el nailon reforzado con fibra de vidrio se utiliza principalmente en la industria del automóvil y en algunos productos industriales. Estas piezas tienen altos grados de carga mecánica. 

La otra técnica de gestión consiste en reducir la tensión en un punto determinado de un componente mediante un enfoque de reparto de la carga. Los elevadores de tensión -territorios con una alta densidad de una fuerza aplicada- agravan la fluencia en los plásticos. Los ingenieros solucionan este problema evitando las esquinas afiladas y realizando transiciones graduales entre geometrías. Los ingenieros también incorporan características de diseño como nervaduras o bridas en las trayectorias de carga para aumentar la superficie cargada. Por ejemplo, en los sistemas de tuberías de plástico, los ingenieros colocan los soportes de forma que el pandeo entre ellos sea mínimo. Por último, la elección de polímeros de alto rendimiento es necesaria para reducir el Creep. Los materiales de alta transición vítrea, como el PEEK, el policarbonato y el PTFE, tienen una excelente resistencia a la deformación. Estos polímeros de nueva generación suelen aplicarse en condiciones severas, como en aplicaciones aeroespaciales o médicas. Estas aplicaciones no necesitan un compromiso de fiabilidad a largo plazo bajo presión y calor.

Comportamiento de la fluencia en condiciones variables

Los plásticos no siempre actúan de la misma manera. La tabla siguiente considera diferentes entornos en términos de velocidad de fluencia.

Comparación del comportamiento a la fluencia de plásticos comunes

El siguiente gráfico muestra los índices de fluencia de varios plásticos con una tensión constante de 2 MPa a 25°C. El PTFE tiene el valor más bajo de velocidad de fluencia, lo que demuestra que apenas puede deformarse con el tiempo. El PS posee el valor más alto de velocidad de fluencia, lo que indica su gran tendencia a deformarse con el tiempo.

La resistencia de otros plásticos como HDPE Y LDPE, PP, PVC, Nylon y PC varían en su capacidad de resistencia a la fluencia y entre los plásticos. Tanto el HDPE como el nylon son más resistentes a la fluencia que el LDPE y el PS.

Conclusión

El conocimiento de las causas de la fluencia, los métodos para minimizar su magnitud y sus efectos en las estructuras informan a los ingenieros sobre la elección de los materiales plásticos. Pueden comprender el uso de los plásticos en las aplicaciones industriales para la fabricación de componentes basados en polímeros. Mediante el refuerzo adecuado de los plásticos, la distribución apropiada de las cargas y la aplicación correcta de polímeros de alto rendimiento, los ingenieros pueden reducir en gran medida el efecto del Creep en sus productos.

Aunque sea en aplicaciones de fontanería, automoción o incluso médicas, este artículo demuestra que los ingenieros y diseñadores pueden desarrollar diseños apropiados tomando las decisiones adecuadas. El rendimiento de los componentes plásticos puede aumentar sin apenas comprometer la fluencia, incluso en condiciones de tensión prolongada dependiente del tiempo.