capÍtulo iv anÁlisis de resultados

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CAPÍTULO IV ANÁLISIS DE RESULTADOS

CAPITULO IV

ANÁLISIS DE RESULTADOS

1. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS DATOS Y RESULTADOS

En el presente capitulo se discuten y explican los resultados obtenidos en

la investigación, dividida en 3 fases, en las cuales se logran desarrollar los

objetivos específicos en su totalidad, y de esta manera dar cumplimiento al

objetivo general de la investigación.

1.1. DESARROLLO DE LAS FASES

1.1.1. FASE I: ENSAYOS (Preparación de muestras, optimización de

parámetros de moldeo y ensayos de tracción a muestras no tratadas)

En esta fase se procedió a realizar las pruebas de laboratorio a ambos

polietilenos, y a su vez especificar la manera de creación de las probetas,

más detalladamente, determinar la temperatura y el tiempo en el cual éstas

estarían en el horno para su mejor conformación estructural.

Con esta finalidad se procedió a introducir el polietileno dentro de un molde

de aluminio previamente mecanizado, el cual se utilizó para la preparación

de probetas con dimensiones de 78 mm de longitud, 18 mm de ancho y 2

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mm de espesor.Posteriormente , las mismas se introdujeron dentro del horno,

variando tiempo y temperatura, con el propósito de obtener las condiciones

más óptimas para tener como resultado una probeta homogénea y uniforme.

En primera instancia se experimentó con el polietileno 2908 de alta densidad,

el cual fue sometido a 20 min y a 190°C, en esta ocasión la probeta

resultante no se fundió correctamente dejando las perlas de polietileno

iníciales casi intactas (Ver Foto 4).Por esta razón se procedió a modificar

ambos factores, tiempo y temperatura. Al utilizar un tiempo de 20 min

y210°C, se obtuvo una probeta consistente pero con formación de grandes

burbujas, por lo cual, se decidió cambiar nuevamente las variables, esta vez

a 20 min y 200°C, donde se obtuvo una muestra más homogénea y uniforme,

todo esto determinado mediante observación directa.

Luego de determinar los parámetros del polietileno 2908 se procedió a

realizar el mismo procedimiento con el polietileno lineal 11PG1 de baja

densidad, inicialmente manteniendo la temperatura a 200°C y el tiempo se

modificó a 25 min, resultando así una probeta fundida correctamente pero

con formación de grandes burbujas por lo cual se decidió variar el tiempo a

20 min donde se obtuvo una probeta con características más aceptables.De

este modo se establecieron los parámetros correspondientes de temperatura

y tiempo en 200°C y 20min para ambos polietilenos.

Posteriormente se procedió a la preparaciónde 12 probetas de cada

polietileno, dando un total de 24 probetas, las cuales fueron utilizadas para

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los ensayos, distribuyéndose del siguiente modo:

• Se utilizaron tres (03) probetas del polietileno 2908 y tres (03) probetas del

polietileno 11PG1 para los ensayos de tracción de control (muestras no

tratadas térmicamente).

• Se sometieron tres (03) probetas del polietileno 2908 y tres (03) probetas

del polietileno 11PG1 para cada condición de envejecimiento térmico, a

100°C por una (1) hora, dos(2) horas y tres(3) horas.

Luego de realizado los ensayos de tracción pertinentes y obtenidos los

resultados, se observó que el comportamiento mecánico obtenido es

reproducible, lo cual se explicará más detalladamente en las siguientes fases

de este capítulo. Por consiguiente se concluye que el uso de tres probetas

por cada polietileno es una muestra representativa para el resto de la

investigación.

En tal sentido se realizó una evaluación de los parámetros de tiempo y

temperatura necesarios para realizar el envejecimiento térmico de probetas

sólidas en el horno. Para esto fue necesaria la creación de nueve (09)

probetas de cada tipo de polietileno, las cuales fueron envejecidas a

120°Cpor períodos de (1), dos (2) y tres (3) horas y media. Cabe destacar

que tanto la creación de las probetas como el mencionado envejecimiento

térmico, fueron ejecutados en el laboratorio de mecanizado de la Universidad

Privada Dr. Rafael Belloso Chacín.

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1.1.2. FASE II: ENSAYOS DE TRACCIÓN

Los resultados obtenidos para las muestras de los polietilenos 2908 y 11PG1

sin tratamiento de envejecimiento térmico (muestras control), se presentan

en las gráficas 1 y 2 y las tablas 1 y 2, respectivamente.

GRÁFICA 1. POLIETILENO 2908 (CONTROL)

Stress (MPa)

-0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

Percentage Elongation-0 50 100 150

Tensile Strength

Proof Strength Non-Proportional Elongation

Proof Strength Total Elongation

Linear Portion End

Preload

Linear Portion Start

FUENTE: Lizardos, Mendoza, Naranjo (2013)

TABLA 1. Polietileno 2908 (CONTROL)

Probeta Módulo de Young (MPa) Resistencia a la Tracción (MPa) Porcentaje de Elongación

1 589,651 19,811 168,028

2 365,756 17,806 145,257

3 318,377 19,733 162,529

Promedio 424,595 19,117 158,605

DesviaciónEstándar 118,304 0,927 9,702


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GRÁFICA 2. POLIETILENO 11PG1 (CONTROL) Stress (MPa)

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

Percentage Elongation-00 100 200 300 400 500

Fracture

Tensile Strength

Upper Yield


Linear Portion End


Proof Strength Total ElongationPreload


TABLA 2. POLIETILENO 11PG1 (CONTROL)

Probeta Módulo de

Young (MPa)

Resistencia a la

Tracción (MPa) Porcentaje de Elongación

1 107,627 10,660 528,846

2 58,376 8,667 615,027

3 59,536 9,080 503,921

Promedio 75,180 9,469 549,265

DesviaciónEstándar 22,949 0,859 47,601


Los datos y gráficos mostrados anteriormente revelan el comportamiento

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referencial típico de este material en un ensayo de tracción, obteniendo a su

vez las propiedades típicamente reportadas para determinar el

comportamiento mecánico de ya mencionado material.Es evidente que el

polietileno de alta densidad 2908 es aproximadamente dos veces más

resistente (resistencia a la tracción), 6 veces más rígido (módulo elástico) y

3,5 veces menos dúctil que el polietileno lineal de baja densidad 11PG1.

Asimismo, de los resultados obtenidos es posible concluir que dichos valores

son reproducibles revelando una desviacióndentro de los límites

aceptables,por lo cual, se decidióelaborar tres (03) probetas con sus

respectivos ensayos para cada condición. Seguidamente se muestra la

descripción de cada uno de los ensayos y el comportamiento del material en

las diferentes condiciones a las cuales fue sometido.

Inicialmente se le aplico el ensayo de tracción a las probetas de ambos tipos

de polietileno a las condiciones establecidas inicialmente, es decir, a las

probetas tratadas a una temperatura de 100°C y a un tiempo de una (1),

dos(2) y tres (3) horas, obteniendo los resultados siguientes.

TABLA3. POLIETILENO 2908 (100°C)

Módulo de Young (MPa) Resistencia a la Tracción (MPa) Porcentaje de Elongación

Control 424,595 19,117 158,605

1Hr 526,347 20,367 447,912

2Hr 385,394 21,227 394,683

3Hr 560,28 21,599 323,701


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TABLA 4. POLIETILENO 11PG1 (100°C)

Módulo de Young (Mpa) Resistencia a la Tracción

(Mpa)

Porcentaje de Elongación

Control 75,18 9,469 549,265

1Hr 71,508 10,533 324,003

2Hr 88,029 10,641 455,756

3Hr 104,934 10,915 702,629


Las variaciones en los valores reflejados en las tablas mostradas

anteriormente correspondientes a las primeras condiciones de ensayo, así

como también, los nuevos experimentos con diferentes condiciones se

analizarán con detalle en la fase final de esta investigación. A continuación

se presentan los gráficos y valores tabulados de los ensayos de tracción de

las probetas tratadas bajos las segundas condiciones.

GRÁFICA 3. POLIETILENO 2908 1.5HR - 120°C

Stress (MPa)

-0.0

5.0

10.0

15.0


Tensile Strength


Linear Portion End



Preload

Metals, Tensile Setup

Gauge Length: 30.0 mm


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50

TABLA 5. POLIETILENO 29-08 (120°C)

Módulo de Young

(Mpa)

Resistencia a la

Tracción (Mpa)

Porcentaje de

Elongación

Control 424,595 19,117 158,605

1Hr 30min 190,071 14,368 150,839

2Hr 30min 173,178 14,158 262,402

3Hr 30min 262,615 15,881 643,371


GRÁFICA 6. POLIETILENO 11PG1 1.5HR - 120°C

Stress (MPa)

-0.0

5.0

10.0

15.0


Fracture

Tensile StrengthUpper Yield


Linear Portion End



Preload


51

GRÁFICA7. POLIETILENO 11PG1 2.5HR - 120°C


GRÁFICA8. POLIETILENO 11PG1 3.5HR - 120°C

Stress (MPa)

-0

10

20

30

Percentage Elongation-00 100 200 300 400 500 600 700

Fracture

Tensile Strength

Linear Portion EndProof Strength Non-Proportional Elongation

Upper Yield



Preload

Metals, Tensile Setup


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TABLA6.POLIETILENO 11PG1 (120°C)

Módulo de Young

(Mpa)

Resistencia a la

Tracción (Mpa)

Porcentaje de

Elongación

Control 75,180 9,469 549,265

1Hr 30min 37,543 4,574 306,755

2Hr 30min 51,653 6,146 440,294

3Hr 30min 71,582 6,730 579,134


En la ejecución de los ensayos de tracción de las muestras sometidas a las

condiciones de aumento de temperatura y tiempo, se obtuvo una significativa

variación en las propiedades mecánicas de ambos polietilenos, cabe

destacar que se realizó unaselección de las propiedades típicamente

reportadas en ensayos de tracción que presentaron mayor variación, las

cuales son las que conforman la estructura general de todas las tablas

presentadas en esta fase.

A continuación se procede a la explicación detallada del comportamiento de

ambos tipos de polietileno (2908 y 11PG1), y a su vez a la interpretación y

análisis de los resultados obtenidos en la investigación.

1.1.3 FASE III: EVALUACIONES

Principalmente se tomaron los valores de control de ambos polietilenos , para

53

lograr tener una data referencial de las propiedades mecánicas del material

en condiciones normales (Tabla 1 y Tabla 2), con el objeto de comparar y

evaluar los cambios ocasionados por la exposición a elevadas temperaturas

de dicho material.

Al evaluar y observar detalladamente los resultados obtenidos luego de

someter las probetas a las condiciones de ensayo de 100°C por una (1), dos

(2) y tres (3) horas en ambos polietilenos, se evidenciaron algunos valores

atípicos que no permiten observar una clara tendencia del comportamiento

del material, por lo que se tomó la decisión de proceder a modificar y

establecer nuevos parámetros de temperatura y tiempo para un segundo

ensayo, con la intención de observar una tendencia más clara del

comportamiento del polietileno, esta vez, la condición fue a 120°C y se

adicionó media hora a cada prueba obteniendo así un nuevo parámetro de

tiempo para los ensayos de tracción en una (1), dos (2) y tres (3) horas y

media para ambos polietilenos. De este segundo ensayo se pudieron

observar variaciones significativas en ambos polietilenos y los resultados se

encuentran tabulados en la fase anterior (TABLA 5 Y TABLA 6). A

continuación se describirán en detalle cada una de estas variaciones.

INFLUENCIA DEL TIEMPO DE EXPOSICION TÉRMICA A 120º C, SOBRE

LAS PROPIEDADES DEL POLIETILENO 2908

Partiendo de los resultandos mostrados en la TABLA 5, se gráfica en la

figura 1 el comportamiento siguiente:

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FIGURA 1. MÓDULO DE YOUNG POLIETILENO 29-08


En la presente figura se observa un descenso significativo en la magnitud del

módulo de Young de la muestra de control con respecto a la muestra

sometida a degradación térmica por una (1) hora y media, lo cual indica un

descenso en la rigidez del material, esto quiere decir que se requirió

unmenor esfuerzo para ocasionar una deformación en el rango elástico, todo

esto basándose en la relación esfuerzo-deformación lo cual define el módulo

de Young.Por otro lado,en el intervalo comprendido de una (1) hora y media

a dos (2) horas y media, se observa un comportamiento similar entre ambas

muestras, esto es apreciable si se considera el porcentaje de error entre los

valores arrojados por el ensayo de tracción y el cual se muestra a

continuación:

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De acuerdo a este porcentaje de error se puede decir que no hubo una

variación significativa en el módulo de Young durante ese intervalo de

tiempo. No obstante, al analizar el comportamiento del material de dos (2)

horas y media a tres (3) horas y media de exposición se puede visualizar un

aumento pronunciado del módulo de Young y como consecuencia, un

incremento en la rigidez del polietileno, sin embargo, este último valor se

encuentra muy por debajo del valor referencial del material en condiciones

normales, lo que quiere decir que el material no logró alcanzar el nivel de

rigidez que poseía antes de ser sometido a la degradación térmica.

FIGURA 2. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN POLIETILENO 29-08


En la figura mostrada se evidencia un comportamiento similar al descrito en

la figura 1 correspondiente al Módulo de Young, donde se aprecia una

disminución de la resistencia a la tracción del valor de control con respecto al

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valor de las muestras sometidas a una (1) hora y media de degradación

térmica, esto indica y en concordancia con lo expuesto anteriormente que se

requirió un menor esfuerzo para fracturar las probetas, es decir, el material

se volvió menos resistente. De igual manera, también es notable que en el

intervalo de una (1) hora y media a dos (2) horas y media no se evidenciaron

variaciones significativas en los valores de resistencia a la tracción, entre los

cuales se presenta un porcentaje de error del 1,5% aproximadamente.

Posteriormente se puede observar un aumento de dicha resistencia en las

probetas sometidas a 3 horas y media en comparación con los valores

anteriores, pero cuyo valor sigue por debajo del valor de control para este

material, lo cual es evidencia del efecto de la degradación térmica sobre las

propiedades del polietileno.

FIGURA 3. PORCENTAJE DE ELONGACIÓN POLIETILENO 29-08


En el grafico mostrado, se está en presencia de un aumento gradual y

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claramente pronunciado del porcentaje de elongación a medida que

transcurre el tiempo de exposición a alta temperatura. Este tipo de

comportamiento es de gran significancia, proporciona al materia un nivel

menor de fragilidad y dureza y como consecuencia un aumento bastante

relevante de la ductilidad, así como también cabe destacar que esta

condición es un ejemplo claro de el efecto que produce la temperatura a este

tipo de polietileno cuando es utilizado a largo plazo en la intemperie.

La causa de este tipo de comportamiento puede atribuirse a rupturas o

rompimientos de las cadenas hidrocarbonadas que constituyen y conforman

este material, ocasionando que dichas cadenas ya segmentadas puedan

desplazarse y proporcionarle al materia un alargamiento mayor,

alargamiento que puede ser visualizado en la foto 17 de los anexos, es

importante resaltar que se trató con un polietileno de alta densidad, el cual

posee largas cadenas lineales, lo que ocasiona que tenga un peso molecular

relativamente bajo, y como consecuencia un índice de fluidez más alto que el

de otros tipos de polietilenos de baja densidad de cadenas hidrocarbonadas

más cortas y ramificadas.

INFLUENCIA DEL TIEMPO DE EXPOSICION TÉRMICA A 120º C, SOBRE

LAS PROPIEDADES DEL POLIETILENO 11PG1

En virtud a los datos suministrados por la TABLA 6, es posible generar las

siguientes ilustraciones y descripción minuciosa de los resultados.

FIGURA 4. MÓDULO DE YOUNG POLIETILENO 11PG1

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Como se puede observar se revela un cambio significativo en la magnitud del

módulo de Young al transcurrir la primera hora y media de exposición con

respecto al valor referencial de control, este cambio hace referencia al

descenso de la rigidez de este tipo de polietileno, posteriormente se

pronuncia una elevación gradual de la magnituda lo largo del tiempo de

exposición,esto indica que al transcurrir el tiempo ocurre un aumento de la

rigidez del material.Esta información suministrada por el ensayode tracción

es una evidencia de los cambios químicos dentro de la estructura del

polietileno por el sometimiento a altas temperaturas por tiempos

prolongados, a nivel molecular estos cambios en dicho módulo pueden

atribuirse al aumento de interacciones intermoleculares y entrecruzamientos

de las cadenas que constituyen el material.

Cabe destacar que el valor reportado al transcurrir las tres (3) horas y media

59

de exposición se encuentra muy cercano al valor de control, este margen de

diferencia es apreciable al calcularse el porcentaje de error entre ambos

valores:

Para corroborar la veracidad de esta tendencia, sería conveniente realizar

nuevos estudios en los que se someta el material a tiempos de exposición

superiores a las tres (3) horas y media, debido a que este tipo de material

presenta ante la degradación térmica dos mecanismos que varían durante el

tiempo de exposición a altas temperaturas, y los mismos pueden ser, la

ruptura de las cadenas que conforman el polietileno o el entrecruzamiento

de las mismas, estos cambios químicos ocurridos dentro de la estructura del

material se aprecian en la siguiente ilustración.

FIGURA 5. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN POLIETILENO 11PH1

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En la figura mostrada se evidencia que la resistencia a la traccióndel valor de

control disminuye en gran magnitud con respecto al valor suministrado por el

primer intervalo de evaluación de una (1) hora y media, y que posteriormente

al transcurrir el tiempo de exposición asciende gradualmente. También se

puede observar que, en la primera hora y media de degradación térmica,

existieron rupturas de las cadenas que conforman el polietileno, a diferencia

del comportamiento del material luego de las dos (2) horas y media de

exposición en adelante, donde el aumento de la resistencia se atribuye a

entrecruzamientos de las cadenas que componen el material.

FIGURA 6. PORCENTAJE DE ELONGACIÓN POLIETILENO 11PG1

61


En la presente figura se visualiza una disminución claramente pronunciada

en el porcentaje de elongación con respecto al valor de control, muy

probablemente generado por los entrecruzamientos de las cadenas, aumento

de interacciones entre ellas, así como también generación de nuevos

enlaces entre las ya mencionadas cadenas que estructuran el polietileno,

transcurridas las horas de exposición entre cada ensayo, se evidencia un

comportamientodiferente a lo ocurrido en la primera hora y media de

envejecimiento, donde prevalece un aumento del porcentaje de elongación,

estos importantes cambios son generados por la ruptura de uniones

químicas dentro de la estructura del materia, es decir, permitiendo que las

cadenas se desplacen, teniendo como resultado un material más dúctil, es

importante resaltar que el valor de porcentaje de elongación reportado a las

tres (3) horas y media de degradación térmica es superior al valor de control,

sin embargo la diferencia que existe entre ambos valores es poco

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significativa (5,44%).

En este tipo de material es común observar la presencia de ambos

mecanismos, ruptura y entrecruzamiento de cadenas, en el transcurso del

tiempo requerido para inducir una degradación térmica sobre el material,

teniendo presente la tendencia que más prevalezca entre dichos

mecanismos a la hora de realizar el análisis de las propiedades a estudiar,

como ha podido presenciarse en el desarrollo de esta investigación.Cabe

destacar que para este ensayo se trataba de un polietileno lineal de baja

densidad, cuyas cadenas hidrocarbonadas contienen ramificaciones cortas y

uniformes introducidas en el proceso de polimerización.

capÍtulo iv anÁlisis de resultados

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