Soldabilidad reológica

La soldabilidad reológica ( SR ) de los termoplásticos considera las características de flujo del material para determinar su soldabilidad. ^{[ 1 ]} El proceso de soldadura de termoplásticos requiere tres pasos generales: primero, la preparación de la superficie; segundo, la aplicación de calor y presión para crear un contacto íntimo entre los componentes que se unen e iniciar la difusión intermolecular a través de la junta; y tercero, el enfriamiento. ^{[ 2 ]} La SR puede utilizarse para determinar la eficacia del segundo paso del proceso para materiales específicos.

La reología es el estudio del flujo de materiales, así como de cómo un material se deforma bajo una fuerza aplicada. ^{[ 3 ]} Las propiedades reológicas se aplican típicamente a fluidos no newtonianos , pero también pueden aplicarse a sólidos blandos ^{[ 4 ]} como los termoplásticos a temperaturas elevadas experimentadas durante el proceso de soldadura. Las propiedades del material asociadas con el comportamiento reológico incluyen viscosidad, elasticidad, plasticidad, viscoelasticidad y la energía de activación del material en función de la temperatura. ^{[ 3 ] [ 2 ]}

Para comprender las propiedades reológicas de un material, también es importante conocer la relación tensión-deformación de dicho material a diferentes temperaturas. Esta relación se obtiene mediante la medición experimental de la deformación resultante en función de una fuerza aplicada. ^{[ 3 ]}

Cuanto menor sea η , mejor será RW

En cuanto a la técnica de gota sésil , la humectación se caracteriza por el grado de contacto interfacial y se cuantifica mediante el ángulo de contacto ( θc ₎ de un líquido sobre una superficie sólida en equilibrio , como se muestra en la Fig. 1. La interrelación entre el ángulo de contacto y las tensiones superficiales en equilibrio viene dada por la ecuación de Young: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \gamma _{SG}\ =\gamma _{SL}+\gamma _{LG}\cos {\theta _{c}},}$

Dónde:

• ${\displaystyle \gamma _{SG}}$= Tensión superficial sólido-gas,
• ${\displaystyle \gamma _{SL}}$= Tensión superficial sólido-líquido,
• ${\displaystyle \gamma _{LG}}$= Tensión superficial líquido-gas,
• ${\displaystyle \theta _{c}}$= Ángulo de contacto.

Para lograr una humectación óptima , el ángulo de contacto ( θc ₎ en equilibrio debe minimizarse. Sin embargo, esto solo es válido en el equilibrio , y la velocidad de dicho equilibrio depende del balance entre la fuerza impulsora de la humectación y la viscosidad del líquido. En el caso de polímeros fundidos, la viscosidad puede ser muy alta y puede requerir mucho tiempo alcanzar el ángulo de contacto de equilibrio (es probable que el ángulo de contacto dinámico sea mayor que el ángulo de contacto en equilibrio).

Por consiguiente, para evaluar la soldabilidad , es necesario tener en cuenta la viscosidad de los termoplásticos fundidos ( polímeros fundidos), dado que la soldadura es un proceso rápido. Se puede afirmar que cuanto menor sea la viscosidad durante el proceso de soldadura (a la temperatura y presión de soldadura), mejor será la soldabilidad .

Recordando que la viscosidad ( η ) disminuye con el aumento de la temperatura ( T ) y la velocidad de corte (${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$) para la mayoría de los polímeros fundidos, la soldabilidad es mejor donde la temperatura y la velocidad de corte (movimiento) son más altas dentro de toda la sección transversal de la región de soldadura. ^{[ 2 ] [ 1 ]}

Cuanto menor sea la elasticidad de un material , mejor será su resistencia a la rotura.

La elasticidad se describe mejor estirando una goma elástica. Al tirar de ella, se estira, y cuando se reduce la fuerza de tracción y finalmente se elimina, la goma vuelve a su longitud original. De manera similar, cuando se aplica una fuerza o carga a la mayoría de los materiales, estos se deforman, y siempre que la fuerza no haya superado el límite elástico del material, este recuperará su forma original al retirar la fuerza o carga. La propiedad del material asociada a la elasticidad se denomina módulo de Young , y la relación entre la cantidad de deformación para una carga dada se describe mediante la ley de Hooke . ^{[ 3 ]}

${\displaystyle \sigma =E\left(L-Lo\right)/Lo}$

Dónde${\displaystyle \sigma }$, o la tensión experimentada por el material y es igual al cambio de longitud dividido por la longitud original multiplicado por la elasticidad del material o módulo de Young "E".

Cuanto menor sea la plasticidad de un material , mejor será su resistencia a la rotura.

La capacidad de un material para deformarse elásticamente resistiendo el flujo se denomina plasticidad. ^{[ 3 ]} Cuando una fuerza o carga aplicada supera el límite elástico del material, este comienza a deformarse plásticamente y ya no recupera su forma original. Durante los procesos de soldadura de polímeros, esto se produce a temperaturas superiores a la temperatura de transición vítrea e inferiores a la temperatura de fusión del material. ^{[ 3 ]}

Cuanto menor sea | E _a |, mejor será el RW

Durante el proceso de soldadura, la porción reblandecida o fundida de los termoplásticos ( artículos de polímero ) puede fluir a través de la interfaz. Un menor flujo resulta en una menor difusión en la interfaz y una menor resistencia de la soldadura. Para que un polímero fundido fluya, los segmentos de la cadena macromolecular deben poder moverse. Cuando los segmentos de la cadena obtienen suficiente energía térmica para superar la barrera energética, comienzan a moverse con facilidad. Esta barrera energética se denomina energía de activación ( Ea ). Se puede decir que si el valor absoluto de la energía de activación de un _polímero ( | Ea | ) _es menor, su soldabilidad mejora.

Los valores de | E _a | de polímeros como el PVC disminuyen con el aumento de la velocidad de cizallamiento (${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$), lo que implica una mejor soldabilidad donde la velocidad de corte (movimiento) es mayor dentro de toda la sección transversal de la región de soldadura. ^{[ 2 ] [ 1 ]}

Utilizando la viscosidad - velocidad de cizallamiento (${\displaystyle \eta -{\dot {\gamma }}}$) datos a varias temperaturas para un polímero , la energía de activación ( E _a ​​) se puede calcular mediante la ecuación de Arrhenius : ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

${\displaystyle \eta =C\exp \left({\frac {-E_{a}}{RT}}\right),}$

Dónde:

• η es la viscosidad del polímero fundido,
• C es el factor preexponencial ,
• R es la constante universal de los gases ,
• T es la temperatura absoluta .

El valor absoluto de la energía de activación (| E _a |) se puede calcular tomando el logaritmo natural de la ecuación de Arrhenius . (Ver ecuación de Arrhenius ).

La soldadura de polímeros depende del contacto íntimo que produce difusión molecular y entrelazamiento de cadenas a través de la junta de soldadura. Esta acción requiere que el polímero esté en estado fundido, donde la viscosidad del fundido y el comportamiento del flujo tienen una influencia drástica en la cantidad de difusión y entrelazamiento. ^{[ 10 ]} Por lo tanto, la soldabilidad reológica es mejor entre materiales con temperaturas de fusión y viscosidades de fundido coincidentes o muy similares. ^{[ 2 ]} Además, a medida que se reducen la viscosidad y las energías de activación de un material, mejora su soldabilidad. ^{[ 2 ]} Por ejemplo, la soldadura de material semicristalino con material semicristalino compatible y de material amorfo con material amorfo compatible ha mostrado los mejores resultados. ^{[ 5 ]}  Si bien un análisis reológico puede proporcionar información razonable sobre la soldabilidad de un material, ^{[ 2 ]} en la mayoría de los casos, la soldadura de producción suele ir precedida de una serie de pruebas para verificar la compatibilidad entre ambos materiales base, así como el proceso empleado. ^{[ 5 ]}

De forma similar a la soldadura de metales, la soldadura de polímero solidificado experimenta tensiones residuales inherentes al proceso de unión. En el caso de los polímeros, estas tensiones residuales se deben en parte a la velocidad de flujo de compresión, que genera una dirección específica de alineación molecular, influyendo en última instancia en la resistencia y la calidad general de la soldadura. ^{[ 10 ]}   Un conocimiento profundo de las propiedades reológicas de los materiales que se unen puede ayudar a determinar las tensiones residuales resultantes y, a su vez, proporcionar información sobre métodos de procesamiento que podrían reducirlas. ^{[ 10 ]}

^{[ 5 ]}

• Energía de activación
• ecuación de Arrhenius
• Soldadura de plástico
• Reología
• Soldabilidad
• Soldadura
• Mojada