Determinación de la tenacidad de fractura de polipropilenos a temperaturas criogénicas

Abstract

El presente trabajo analiza el comportamiento en fractura de cuatro copolímeros en bloque etilenopropileno en función de la temperatura y de los parámetros estructurales: contenido en etileno y peso molecular. Dos de los copolímeros presentan idénticos pesos moleculares pero distinto contenido en etileno y los otros dos copolímeros contienen la misma cantidad de etileno pero diferentes pesos moleculares. Los copolímeros en bloque etileno-propileno se caracterizan por poseer una morfología heterofásica formada por una matriz de polipropileno con partículas dispersas de una fase etilénica, lo que conlleva dos temperaturas de transición vítrea, una asociada a la matriz de PP, ~ 12°C, y otra a las partículas dispersas, ~ -50°C. Para evaluar la evolución de la tenacidad de fractura a medida que se disminuye la temperatura por debajo de las Tgs del PP y de la fase etilénica se realizarán ensayos a cuatro temperaturas diferentes: a temperatura ambiente, por encima de la Tg del PP; a 0°C y a -40°C, entre las Tgs del PP y PE; y, finalmente, a -80°C, por debajo de la Tg del PE. Dado que los materiales objeto de estudio presentan un comportamiento mecánico diferente dependiendo de la temperatura de ensayo, se utilizaron distintas aproximaciones de caracterización en fractura. Se emplearon métodos de caracterización según la Mecánica de la Fractura Elástica y Lineal para los ensayos realizados a temperaturas inferiores a la Tg del etileno, ya que bajo estas condiciones, el copolímero presenta un comportamiento elástico y lineal hasta rotura; y el Método de Múltiples Probetas de la Mecánica de la Fractura Elastoplástica en los ensayos realizados a temperaturas superiores a las Tgs del polipropileno y del etileno debido al comportamiento dúctil frente a rotura. Tras el estudio se observó que la tenacidad de fractura a 0°C y a -40°C mantiene valores análogos a los de 23°C (EPBC-B1 y EPBC-B2) o bien aumenta ligeramente (EPBC-A1 y EPBC-A2) y que la tenacidad de fractura a -80°C cae abruptamente. El análisis fractográfico a 0°C y -40°C reveló que los mecanismos de disipación de energía responsables del fallo mecánico son más efectivos cuando las partículas elastoméricas inducen mecanismos de deformación plástica en la matriz vítrea de PP, la cual presenta mejores propiedades mecánicas a estas temperaturas que a 23°C. En cambio a -80°C, las dos fases se encuentran en estado vítreo por lo que la fragilidad y ausencia de mecanismos de deformación plástica conlleva una disminución en la tenacidad de fractura. La evolución de la tenacidad de fractura con el contenido de etileno a 23, 0, -40 y -80 °C, nos muestra que para los contenidos en etileno analizados, de un 9 y 12% en peso, las diferencias no son significativas. Parece que un contenido en peso superior al 9% no permite obtener valores superiores en la tenacidad de fractura. Sin embargo, en el estudio del efecto del peso molecular se aprecia claramente que la tenacidad de fractura es mayor cuanto mayor es el peso molecular debido al aumento de la resistencia mecánica de la fase amorfa.