Cuando se somete una probeta a una fuerza uniaxial como puede ser tracción o compresión se produce una deformación. Si el material recupera sus dimensiones originales, lo que significa un retorno de los átomos a sus posiciones iniciales luego de eliminada la fuerza, se considera que ha sufrido una deformación elástica. En cambio, si el material se deforma tanto que no puede recuperar completamente sus dimensiones originales, se considera que ha sufrido una deformación plástica. Durante este tipo de deformación, los átomos se desplazan continuamente desde sus posiciones iniciales hasta otras nuevas [4].
Para considerar el uso de un determinado polímero en una aplicación específica es necesario tener en cuenta sus diversas propiedades. Entre ellas, un importante factor a evaluar es su comportamiento mecánico, es decir, su desempeño y deformación bajo esfuerzo. Dicho comportamiento puede ser analizado y estudiado a partir de sus propiedades esfuerzo- deformación [5], [6]. Esto usualmente implica observar la respuesta del polímero en tanto le
Capítulo 6: Propiedades mecánicas, porosidad y almacenamiento de agua de los andamios de GEL-HA
son aplicadas fuerzas como tracción o compresión hasta el punto de la ruptura. El resultado, usualmente, se muestra como una gráfica del esfuerzo vs deformación. El esfuerzo es usualmente expresado en Newtons por centímetro cuadrado (N.cm-2) o megapascales (MPa) donde 1MPa = 100 N.cm-2. La deformación puede ser expresada como incremento porcentual en el largo de la muestra del polímero (es decir, ΔL/L x 100, donde L es la longitud de la muestra original) [7].
En la Figura 6.1 se pueden observar las curvas características de los grupos en los que se clasifican los polímeros dependiendo del comportamiento que presenten en el ensayo.
Figura 6.1 Esquema de las curvas tensión (σ) vs deformación (ℇ) de las 3 diferentes clases de polímeros.
La primera curva, “polímero frágil”, es característica de materiales duros pero frágiles que sufren la rotura al finalizar la región elástica, mientras que la segunda corresponde a los duros pero dúctiles que reciben el nombre de “tenaces” que sufren una deformación inicial elástica luego de la cual el material fluye para después deformarse plásticamente siendo caracterizados como dúctiles. En este caso puede haber materiales que muestren extensión uniforme y otros en los cuales se produce la deformación en un área limitada de la muestra formándose una región conocida como cuello que se modifica a medida que se va incrementando el esfuerzo. Por último, la tercera curva corresponde a polímeros elastoméricos que tienen un comportamiento totalmente elástico hasta la rotura [6], [8].
La pendiente del segmento lineal que se observa en los comienzos de cada una de las curvas corresponde al módulo de elasticidad E (o módulo de Young). Dicho parámetro puede ser interpretado como la rigidez de un material, su resistencia a la deformación elástica. A medida que se incrementa, el material es más rígido por lo que la deformación elástica es menor una vez aplicada la tensión [8].
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Los polímeros varían ampliamente su comportamiento mecánico dependiendo del grado de cristalinidad, entrecruzamiento y los valores de temperatura de transición vítrea (Tg) y temperatura de fusión (Tm). Estructuras fuertes y poco extensibles son obtenidas a partir de varias combinaciones de altos grados de cristalinidad y entrecruzamiento o cadenas rígidas (asociados a altas Tg). Grandes extensibilidades y poca fuerza en polímeros es sinónimo de bajos grados de cristalinidad y entrecruzamiento y relacionados con bajas Tg. Se sabe que los polímeros pierden su fuerza a temperaturas cercanas a su Tg en el caso de ser amorfos y a temperaturas cercanas a su Tm para los cristalinos. En la ciencia de los polímeros se consideran especialmente las propiedades deseadas en el producto final para tomar una decisión correcta acerca de la síntesis y así lograr los comportamientos deseados buscando la combinación adecuada de las propiedades mencionadas [7].
Algunas de las propiedades mecánicas que son de interés para el diseño estructural, y que pueden obtenerse a partir de ensayos mecánicos, son [7]:
1. Módulo de Young (Módulo de elasticidad): En la primera parte del ensayo de tracción, el material se deforma elásticamente. Es decir, si la fuerza que actúa sobre la muestra desaparece, la probeta volverá a su longitud inicial. Este parámetro está relacionado con la fuerza del enlace entre los átomos [4]. En la gráfica se puede observar como la pendiente de la porción inicial de la curva, la porción recta de la misma [6].
2. Tensión de rotura (MPa): esfuerzo al cual está sometida la muestra en el momento de rotura. Es la tensión máxima que puede soportar [9].
3. Deformación a la tensión de rotura (%): la deformación de la probeta en el momento de la tensión de rotura [9].
4. Esfuerzo Máximo (MPa): Máximo esfuerzo que es capaz de soportar la probeta en el rango de deformación estudiado.
5. Deformación al Esfuerzo Máximo (%): Deformación sufrida por la probeta en el punto de esfuerzo máximo.
6. Límite Elástico (MPa): Esfuerzo máximo que soporta la probeta sin sufrir deformaciones permanentes, hasta este punto el material tiene comportamiento elástico.
7. Deformación al Límite Elástico (%): Deformación sufrida por la probeta en el punto de su límite elástico.