Propiedades Físicas, Mecánicas y Químicas Del Caucho [PDF]

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PROPIEDADES FÍSICAS, MECÁNICAS Y QUÍMICAS DEL CAUCHO PARA AISLADORES DE VIBRACIÓN. Este capítulo proporciona un resumen de los compuestos del caucho y describe las propiedades estáticas y dinámicas del caucho el cual es de importancia en aplicaciones de aislamiento de vibraciones y golpes (amortiguación). También discute cómo estas propiedades son influenciadas por condiciones ambientales. En la naturaleza, el caucho es un material excepcional. Presenta dos características fundamentales que son la elasticidad y la impermeabilidad. La primera se refiere a que al ser sometido un cuerpo a una fuerza deformante, sea de compresión o de estiramiento, durante cierto tiempo y luego intempestivamente suspendemos la acción, hemos de notar que el cuerpo responde en una de las siguientes formas:  La deformación o estiramiento será permanente.  Recuperará rápidamente su forma original.  Su recuperación será parcial o lenta. Los cuerpos clasificados en la primer categoría se dice que son rígidos (no elásticos), como cuando estiramos un alambre de hierro o cobre. En la segunda categoría se dice que el material es elástico y la sustancia mas representativa es el caucho. Partes de caucho pueden por lo tanto funcionar como aisladores de vibración, aislador de golpes y/o como amortiguadores. Aunque el término caucho se utiliza más bien poco, normalmente se refiere a los compuestos y vulcanizados del material. En estado natural (crudo) se denominan elastómeros. Las formas de Vulcanización forman enlaces químicos entre las cadenas de los elastómeros adyacentes y posteriormente dan estabilidad dimensional, fuerza (resistencia) y elasticidad. Un caucho no vulcanizado carece de integridad estructural y fluirá durante un período de tiempo. El caucho tiene un bajo modulo de elasticidad y es capaz de sostener una deformación de tanto como 1000 por ciento. Después de tal deformación, él se retracta rápidamente y fuertemente a sus dimensiones originales; es elástico y todavía exhibe amortiguación interior. Este material puede procesarse en una gran variedad de formas y puede adherirse al metal insertado o montado en placas. Puede estar compuesto para tener propiedades extensamente variantes. La curva carga – deflexión puede ser alterada por el cambio de su forma. El caucho no se corroerá y normalmente no requiere ninguna lubricación. La otra propiedad fundamental es la impermeabilidad, esta es la resistencia que un cuerpo opone a la humedad, o en general al ataque o pasó a través de gases y líquidos de diferente naturaleza. Una sustancia impermeable como el caucho impide el paso por ella del agua, la mayoría de los líquidos, el aire, el humo, en general los fluidos. Por su impermeabilidad el caucho se emplea en la confección

de globos, guantes, neumáticos, impermeabilizar telas y lonas, etc.

paraguas,

suelas

de

zapatos,

para

El caucho tiene otras propiedades de carácter complementario o adicionales de gran importancia tecnológicas, las que son efectivamente aprovechadas, en conjunto con las fundamentales, en numerosas aplicaciones modernas. Entre otras podemos nombrar [22]. 

L a resistencia al desgaste o a la abrasión.



La resistencia química.



La resistencia a las grasas y los aceites.



El aislamiento eléctrico y calorífico.



Las cualidades antivibracionales y absorción de impacto.



La baja densidad.

3.1 ENSAYOS DE LA GOMA Y DEL ELASTÓMERO Los ensayos de laboratorio concernientes al caucho pueden ser tan amplios como lo requieran los requisitos del artículo a fabricar y teniendo en cuenta que las mezclas de caucho o goma pueden ser prácticamente infinitas, en función de la clase y proporción de sus ingredientes, lo cual incide de forma más o menos trascendente en las propiedades del elastómero. Las razones que justifican los ensayos de laboratorio suelen ser: 

Desarrollo de fórmulas nuevas, destinadas a cumplimentar exigencias de un nuevo artículo de caucho y de requisitos novedosos [23].



Control del fabricante de artículos de caucho. Según lo aconseje su metodología o exija su Sistema de Gestión de la Calidad (ISO 9001). Si bien y en el caso del fabricante, los controles básicos se realizarán sobre la goma o mezcla cruda de caucho y antes de proceder a la fabricación de las piezas, midiendo sobre probetas su viscosidad, su comportamiento durante la vulcanización (mediante Reómetro o Vulcámetro) y finalmente, algunos de los ensayos normalizados y relativos a características fundamentales [23].



El usuario de las piezas de caucho. Precisa de sus propios controles y validación de las piezas recibidas, acordes con su Sistema de Gestión de la Calidad (ISO 9001), para lo cual no debe bastar la certificación del fabricante y puede que tampoco sean aceptables los ensayos sobre probetas, en cuyo caso deberá recurrir a los ensayos sobre las piezas acabadas. Ensayos que deberían comprobar el comportamiento de la pieza

en servicio real, o en su defecto, mediante ensayos normalizados sobre probetas extraídas de la pieza o artículo de que se trate [23]. Los ensayos y los procedimientos usados deben ser en el caucho crudo pueden ser clasificados en 3 grupos: 3.1.2 Los ensayos de control. Son realizados para determinar las propiedades de los cauchos crudos, del material en proceso y del producto terminado con el fin de asegurar su uniformidad [24]. 3.1.3 Los ensayos bajo especificaciones. Estos son aplicados a los productos de caucho que fueron fabricados para cumplir especificaciones del cliente. Primero el manufacturero elabora los ensayos especificados, para asegurar que los productos de la compañía se encuentran dentro de los límites impuestos por las especificaciones. Si es el caso, el producto que va ser enviado al cliente deberá ir con los resultados de los ensayos [24]. 3.1.4 Los ensayos para investigación y desarrollo. Están diseñados especialmente para obtener un mejor entendimiento de la química o física del caucho, tales como la vulcanización, el envejecimiento y el desempeño en servicio. Los ensayos pueden involucrar la evolución de nuevos cauchos crudos, cargas y químicos, entre otros. Los resultados de este trabajo serán la base para desarrollar nuevos materiales elastoméricos (ver figura 13) [24]. Figura 13. Ensayos para elastómeros.

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La utilidad del caucho y los elastómeros sintéticos se aumenta por composición. En el estado crudo los elastómeros son blandos y pegajosos cuando están calientes, y duros o quebradizos cuando están fríos. La vulcanización extiende el intervalo de temperaturas dentro del cual son flexibles y elásticos. En adición a los agentes vulcanizantes, se agregan ingredientes para hacer que los elastómeros sean más resistentes, más tenaces y más duros, para hacerlo envejecer mejor, para colorearlo y, en general, para modificarlos de modo que satisfagan las exigencias de las condiciones de servicio. Ningún producto de caucho se fabrica hoy en día solo de caucho u otro elastómero. Los elastómeros de mayor importancia comercial y técnica a la fecha actual son el caucho natural, el GR-S, el neopreno, y el caucho de nitrilo y el butilo. El caucho vulcanizado se estira aproximadamente 10 veces su longitud y en este punto soportara una carga de 13.8 x 10^6 Pa. Puede ser comprimido hasta 1/3 de su espesor miles de veces sin que sufra perjuicio alguno. Cuando la mayoría de los tipos de caucho vulcanizado son estirados, su resistencia aumenta en mayor proporción que la extensión. Aun cuando sean estirados casi hasta su punto de ruptura, recuperan casi completamente sus dimensiones originales al ser liberados de la carga que se les había aplicado, y luego recuperan gradualmente una parte de la deformación residual [18]. 3.2.1 Compuestos del caucho. Las típicas formulaciones de los compuestos del caucho consisten en 10 o más ingredientes que son agregados para mejorar las propiedades físicas, afectando la vulcanización, previenen la deterioración a largo plazo, y mejora su proceso. Estos ingredientes son determinados en cantidades basadas en un total de 100 partes del caucho (porcentaje de caucho) [11]. La mayor parte del caucho es vulcanizado, es decir, se combina con azufre o compuestos orgánicos a base de azufre. Si se efectúa la vulcanización de manera adecuada, mejora sus propiedades a la tracción, elimina su untuosidad, vuelve el caucho menos susceptible a las variaciones de temperatura y lo hace insoluble en todos los disolventes conocidos. Es imposible disolver el caucho vulcanizado, a no ser que se descomponga primero. Se agregan otros ingredientes para efectos generales, como sigue:  Para aumentar la resistencia a la tracción y a la abrasión: negro de humo, pigmentos precipitados y aceleradores orgánicos de la vulcanización. 

Para abaratarlo y volverlo rígido: blanco de España, barita, talco, sílice, silicatos, arcillas, materiales fibrosos.



Para ablandarlo (para fines de tratamiento o para las propiedades finales): sustancias bituminosas, alquitrán de hulla y sus productos, aceites vegetales y minerales, parafina, petroláto, aceites de petróleo, asfalto.



Accesorios de vulcanización, medios de dispersión y de remojado, etc.: óxido de magnesio, óxido de zinc, litargirio, cal, ácido esteárico y otros ácidos orgánicos, lanolina, alquitrán de pino.



Agentes protectores (para envejecimiento natural, luz del sol, calor, flexionamiento): aminas de condensación, ceras [18].

3.2.2 Elastómeros. Los elastómeros son parte de la división de los plásticos que consta de 3 grandes grupos siendo estos los termoplásticos, los termoestables o termofijos y los elastómeros o cauchos. Estos últimos son materiales no fundibles e insolubles. Su estructura interna presenta encadenamiento de sus moléculas bastante espaciado, por lo que a temperatura ambiente son bastante elásticos. Como fue mencionado anteriormente, los plásticos se dividen en 3 grandes grupos y en cada grupo, estos se clasifican de acuerdo a su estructura molecular y al tipo de mecanismo de enlace de las moléculas (lineal o ramificado). Los elastómeros están clasificados dentro de los polímeros termoestables y que son reticulados, como ejemplo esta los elastómeros NBR y EPDM entre otros. Los elastómeros (cauchos naturales y sintéticos) son materiales complejos que difieren considerablemente de otros polímeros de ingeniería. Esta clase “inusual” de polímeros, requiere su propio y elaborado trabajo de procedimientos de chequeo. El caucho ha sido ampliamente usado en aplicaciones de ingeniería desde hace unos cien años. Aún en la actualidad, los ingenieros y diseñadores siguen teniendo dificultad en correlacionar los términos y expresiones usadas en la tecnología del caucho. La resistencia a la tensión, la dureza, la elongación y el deslizamiento (“creep”), por ejemplo, son términos familiares para los ingenieros, pero su significado en la tecnología del caucho puede ser diferente [24]. Ambos elastómeros, naturales y sintéticos están disponibles para componer un producto de caucho. La designación de la ASTM y la composición de algunos elastómeros comunes se muestran en la Tabla 12. Algunos elastómeros como caucho natural, Neopreno y caucho del butilo tienen alta regularidad en su estructura básica [11].

Tabla 12. Designación y composición de elastómeros comunes.

Fuente: Ronald J. Schaefer. Mechanical Properties of Rubber Chapter 33. Harris` Shock and Vibration Handbook. First Edition, New York 2002, Editorial McGraw Hill. Ellos se alinearán y se cristalizarán cuando una tensión es aplicada, con resultado altas propiedades de tensión. Otros elastómeros no tensión-cristalizan y requieren la adición de reforzar los rellenos para obtener la fuerza de tensión (resistencia a

la tracción) adecuada. El caucho natural es ampliamente usado en aisladores de vibración y golpes (amortiguación) debido a su alta resiliencia (elasticidad), altas propiedades de tensión y torsión y el bajo costo. Elastómero sintéticos tienen una gran variedad de propiedades estáticas y dinámicas comparado con el caucho natural, algunos de ellos tienen una gran resistencia a la degradación por calor, oxidación, y aceites de hidrocarburos. Algunos, como caucho del butilo, tienen muy baja elasticidad en un cuarto de temperatura y comúnmente son usados en aplicaciones que requieren alta amortiguación de vibración. El tipo de elastómero usado depende de la función de la pieza (parte) y del ambiente en el cual la pieza (parte) es colocada. Algunos elastómeros sintéticos pueden funcionar bajo condiciones que serían extremadamente hostiles al caucho natural. Una selección inicial de potenciales elastómeros puede ser hecha determinando el límite de temperatura ambiente superior e inferior bajo el ambiente en el cual la pieza operará. El elastómero debe ser estable al límite de temperatura superior y mantener una dureza determinada al límite inferior. Hay un aumento grande en dureza al acercarse a la temperatura de transición vítrea. Debajo de esta temperatura el elastómero se vuelve un sólido "vítreo" que se fracturará con impacto. Una selección posterior puede ser hecha determinando los solventes y gases con que la pieza (parte) estará en contacto durante su funcionamiento normal y las propiedades físicas, dinámicas y estáticas necesarias para el adecuada desempeño [11]. 3.2.3 Refuerzo o reforzamiento. Los elastómeros los cuales no tensióncristalizan necesitan reforzamiento para obtener las propiedades de tensión adecuadas. El carbono negro es el material más ampliamente usado para el refuerzo o reforzamiento. El mecanismo del refuerzo se creyó que es ambos químico y físico en naturaleza. Sus propiedades primarias son área de la superficie y estructura. El tamaño de la partícula más pequeña se oscurece teniendo un área de superficie muy grande dando un gran efecto de reforzamiento. Aumentado el área de la superficie da aumento de tensión, módulo, dureza, resistencia a la abrasión, resistencia a la torsión (resistencia al rompimiento) y conductibilidad eléctrica, además disminuye la elasticidad y vida de flexión-fatiga. Los mismos efectos también se encuentran con niveles aumentados (porcentaje de caucho) de carbono negro, pero los valores máximos ocurren a niveles diferentes. La estructura se refiere a la alta temperatura fusionando juntas las partículas dentro de una uva como los agregados durante la fabricación. El aumento de la estructura aumentará módulo, dureza y la conductibilidad eléctrica pero tendrá un pequeño efecto sobre la tensión, resistencia a la abrasión, o resistencia a la torsión (resistencia al rompimiento) [11].

3.2.4 Adición de aceites. Los aceites son usados en compuestos de caucho para mantener una dureza determinada cuando se incrementan los niveles de carbono negro u otros rellenos que son agregados. Ellos También funcionan como ayudas para el proceso y mejoran la mezcla y las propiedades de flujo (extrudabilidad o expulsabilidad, etc.) [11]. 3.2.5 Anti-degradantes. La luz, el calor, el oxígeno y el ozono aceleran la degradación química de los elastómeros. Esta degradación está en la forma de división de la cadena o entrecruzamiento de enlaces (enlaces cruzados) químicos sobre los elastómeros. La oxidación causa un efecto de ablandamiento en NR, IR e IIR. En la mayoría de los otros elastómeros el oxígeno causa entrecruzamiento y la formación de compuestos más rígidos. El ataque de ozono es más severo y da lugar a grietas superficiales y una eventual falla del producto. El agrietamiento no ocurre a menos que el caucho sea tensionado (estirado). Los elastómeros que contienen instauración en su estructura básica son los más vulnerables. Los Antidegradantes son agregados para mejorar la estabilidad a largo plazo y funcionan por diferentes mecanismos químicos. Las aminas, fenoles y thioesteres (o tioéter) son los tipos más comunes de antioxidantes, mientras que las aminas y carbamates (carbonatos) son típicos anti-ozonantes. Las ceras de parafina los cuales florecen a la superficie del caucho y forman una capa protectora también usadas como anti-ozonantes [11]. 3.2.6 Agentes de vulcanización. La Vulcanización es el proceso por el cual las moléculas del elastómero llegan a ser (o se vuelven) químicamente entrecruzadas para formar estructuras tridimensionales teniendo estabilidad dimensional. El efecto de vulcanización en las propiedades de compuestos se muestra en figura 14. Azufre, peróxidos, resinas y se usan óxidos (de metal o metálicos) se utilizan normalmente como agentes vulcanizadores. El uso de azufre por si solo da lugar a una reacción lenta, por lo que se agrega aceleradores (catalizadores) para aumentar la tasa de curación [11]. Ellos Afectan la taza de vulcanización, estructura entrecruzada (de enlaces cruzados) y las propiedades finales. 3.2.7 Mezclado o mezcla. La mezcla adecuada es necesaria para obtener un compuesto que procese adecuadamente, cure suficientemente y tenga las propiedades físicas necesarias para el uso final. El mezclador interno Banbury es comúnmente utilizado para mezclar los ingredientes compuestos. Contiene dos rotores en forma de espiral que operan en una cámara completamente cerrada. Un procedimiento en dos-pasos es generalmente usado para asegurarse de que la vulcanización prematura no ocurra.

La mayoría de los ingredientes son mezclados alrededor de 120°C en el primer paso. Los agentes de vulcanización son agregados a una temperatura más baja en el segundo paso [11]. Figura 14. Propiedades de vulcanización en función del grado de vulcanización.

Fuente: Ronald J. Schaefer. Mechanical Properties of Rubber Chapter 33. Harris` Shock and Vibration Handbook. First Edition, New York 2002, Editorial McGraw Hill. 3.2.8 Moldeado. De compresión, transferencia y moldeo por inyección son técnicas usadas para darle forma al producto final. Una vez en el molde, el compuesto de caucho es vulcanizado a rangos de temperaturas de 100 a 200°C. El tiempo de la cura y la temperatura son determinadas de antemano con un curómetro, así como el disco de oscilación rheometro. Después de ser removido del molde, el producto de caucho es a veces post curado (después curado) en una autoclave. La post curación da una mejor fijación a las propiedades de compresión [11].

3.3 PROPIEDADES FÍSICAS ESTÁTICAS El caucho tiene propiedades que son drásticamente diferentes de otros materiales de ingeniería. Por consiguiente, tiene procedimientos para pruebas ó ensayos físicos que son únicos. El caucho tiene ambas propiedades elásticas y viscosas. ¿Cuál de estas propiedades predomina frecuentemente?, depende de las condiciones de pruebas ó ensayos. Un resumen de las propiedades características de los diferentes elastómeros se muestra en la tabla 13[11].

3.3.1 Dureza. La dureza está definida como la resistencia a la indentación. El durómetro es un instrumento que mide la penetración de un esfuerzo cargado en una esfera de metal dentro del caucho. Las mediciones de Dureza en el caucho se expresan en unidades Shore, Para la medición de la dureza Shore se utilizan varias escalas: Shore A, B, C, D, 0 y 100. La escala Shore A es la más conveniente para medir la dureza de los cauchos blandos, hasta 90 grados, mientras que la escala Shore D se usa para la medición de dureza de cauchos más duros que 90 grados Shore A. Aproximadamente 40 grados Shore D corresponden a 90 Shore A. En todas las escalas se fabrican durómetros digitales y análogos, así como portátiles y de mesa, siendo estos últimos más precisos. En los durómetros portátiles la influencia del operario que mide, unida a la variabilidad de un instrumento a otro, aunque ambos se encuentren calibrados es muy alta. En Shore A, por ejemplo, es necesario admitir una variación de +/-5 puntos. Debido a la naturaleza viscoelástica del caucho, la lectura del durómetro alcanza un valor máximo tan pronto como la esfera de metal llega a la máxima penetración en la muestra ó el espécimen, y luego, disminuye en los próximos 5 a 15 segundos. No existe ninguna relación entre dureza y otras propiedades mecánicas como ocurre normalmente con los aceros. Más duro no quiere decir, por ejemplo, mayor resistencia a la tracción. Como ya sabemos, materiales con la misma dureza pueden ser completamente distintos. Debe tomarse como un control de la uniformidad de la producción, en el sentido de que todas las unidades de un determinado pedido deben tener aproximadamente la misma dureza y también en todos los lotes sucesivos. Existen aparatos portátiles de resorte y aparatos con carga muerta más precisos. La ISO 48 normaliza el ensayo de “Dureza Internacional” IRHD (International Rubber Hardness Degrees), con una escala desde 0 (infinitamente blando) hasta 100 (infinitamente duro). El espesor de la probeta influye grandemente en el resultado y es necesario un espesor mínimo de 4 mm, pero preferiblemente 8 mm. La versión a menor escala, llamada micro dureza permite tomar durezas en espesores tan bajos como 1,5 mm. Existe una relación matemática entre el Tabla 13. Propiedades relativas de varios elastómeros.

A= excelente, B= bueno, C= falla, D= use con precaución, NR= no recomendado.

Fuente: Ronald J. Schaefer. Mechanical Properties of Rubber Chapter 33. Harris` Shock and Vibration Handbook. First Edition, New York 2002, Editorial McGraw Hill. Modulo de Young y la dureza IRHD, aunque por falta de precisión, no es aconsejable utilizar la medida de la dureza para el cálculo del módulo [48].



Determinación de la dureza. En los elastómeros es una característica fundamental y está relacionada con la elasticidad del material. Usualmente y para un mismo caucho, a menor dureza más elasticidad y viceversa.

La mejora de la resistencia mecánica forma parte de numerosos requerimientos de calidad. Uno de los criterios más importantes para evaluar esta capacidad es la dureza. Hay diferentes métodos para comprobar la dureza, que se ajustan a las necesidades concretas. Algunos están pensados para caracterizar revestimientos y otros están más indicados para realizar pruebas con materiales a granel como metales, plásticos, cauchos o elastómeros. Instrumento frecuentemente utilizado para realizar pruebas con materiales suaves: caucho, varias resinas, madera, piel, formica, etc. Una punta o una bola penetran en el material a consecuencia de la presión del muelle; la fuerza depende del modelo. Inmediatamente aparece una lectura en el marcador de los durómetros Shore que están graduados del 0 al 100 (ver figura15). Todos los instrumentos pueden sujetarse con la mano o emplearse con un soporte (opcional). El soporte está diseñado para aguantar la carga de 12,5 N de Shore A, o una carga adicional para obtener 50 N empleada en el Shore D [25].