Abstract

Para fines de este experimento se escogieron dos filamentos para impresión 3D fabricados por la empresa Polymaker, con propiedades mecánicas que difieren. El primer filamento es el del PLA (PolyLite), el cual la empresa Polymaker le realiza un proceso térmico que consiste en 2 horas en un horno a 90ºC con el fin de semi-cristalizarlo. Los diferentes “papers” del experimento hablan de que se denota un aumento en su cristalinidad del 10-30% a 5-40%. Por tal motivo, y así introduciendo el segundo filamento (PolyMax), se hace una mezcla de acrílico (0%-30%) al PLA para modificar las propiedades mecánicas, como por ejemplo aumentar la resistencia al impacto. Para verificar que existe un incremento en la energía de impacto se realizarán tres experimentos. El primer experimento es el de ensayo de tensión el cual comprobará que el módulo de elasticidad decrece. El segundo es el de ensayo de impacto, el cual refleja el incremento de la energía de impacto. El tercero, y último, es de calorimetría, que permite evidenciar la cristalinidad para relacionar los datos obtenidos en los dos ensayos mencionados.

Nomenclatura

Objetivos

• Comprender la cristalización en polímeros acorde a su composición (PLA / Acrílico) y a los procesos térmicos a los que se vean expuestos.
• Evidenciar la variabilidad de propiedades mecánicas del PLA, acorde a su composición (PLA / Acrílico).
• Encontrar una relación entre la cristalinidad del PLA, su composición (PLA / Acrílico) y su energía de impacto.

Marco teórico

Propiedades del ácido poliláctico

El ácido poliláctico es un poliéster biodegradable derivado de recursos renovables. Entre sus aspectos positivos está su alta estabilidad mecánica, rigidez, y baja emisión de gases de efecto invernadero durante su producción [1][2]. Por otro lado, posee limitaciones al tener una baja energía de impacto, baja temperatura de deflexión térmica, y baja temperatura máxima de servicio [1]. Puede ser procesado por inyección, termoformado, extrusión, mecanizado, entre otros [3].

El módulo de Young y la energía de impacto del PLA puede variar entre rangos amplios, como se logra ver en la tabla 1 más adelante. Estas grandes variaciones en las propiedades son resultado de la naturaleza amorfa o semicristalina del PLA [4]; de sus isómeros componentes, temperaturas de procesamiento, tiempo de recocido, y peso molecular.

Por su parte, la cristalinidad del PLA es dependiente de su peso molecular, estereoquímica e historia térmica, y es el factor predominante en propiedades como dureza, módulo de Young, esfuerzo último, rigidez, y temperatura de fusión. Un PLA semicristalino tendrá muy probablemente un módulo elástico cercano a los 3 GPa, una esfuerzo ultimo de 50-70 MPa, y una ductilidad a la fractura cercana al 4% [5].

Propiedades del PMMA

El acrílico, o polimetilmetacrilato (PMMA) es un termoplástico que se caracteriza por su moderada resistencia mecánica, su transparencia y su resistencia a la intemperie [7]. Puede ser procesado por inyección, extrusión, termoformado y mecanizado, entre otros. Se caracteriza por tener una microestructura amorfa en donde las macromoléculas están entrelazadas y desordenadas, haciendo que primen los enlaces intermoleculares [8]. Debido a su naturaleza amorfa, el acrílico puro tiene un módulo de Young bajo. Suele tener un comportamiento frágil, con una energía de impacto relativamente baja, que sin embargo, suele ser más alta que la del PLA. Debido a esto, el PMMA suele ser mezclado con modificadores de impacto como PC o PVC, lo que puede hacer que su tenacidad al impacto sea hasta 10 veces mayor y que su temperatura de transición vítrea pueda variar entre 87°C y 157°C [9].

Relación teórica del PLA y PMMA

El PLA semicristalino presenta una disminución en su grado de cristalinidad al agregarle PMMA, puesto que este último es amorfo. En las regiones cristalinas, las macromoléculas se encuentran más cerca unas de otras y mejor alineadas, lo que hace que el número de enlaces secundarios entre ellas aumente, a pesar de que estos enlaces son mucho más débiles que los covalentes. Además, cuando un material es sometido a una carga, las moléculas pertenecientes a las regiones cristalinas se orientan con respecto a la acción mecánica; esto hace que los enlaces covalentes presentes en las cadenas principales de las moléculas puedan soportar la carga, y cómo estos enlaces son relativamente más fuertes que los enlaces secundarios, la resistencia del material sería mayor con respecto a un material con un grado de cristalinidad menor [10]. Teniendo esto en cuenta, la reducción de cristalinidad del material causada por la adición de acrílico haría que el módulo de Young se reduzca.

Por otro lado, la energía de impacto disminuye cuando el grado de cristalinidad aumenta [11]. En una prueba de impacto, las macromoléculas se mueven, disipando así la energía absorbida. Si se restringen los movimientos de las moléculas estas no podrán movilizarse y disipar la energía del impacto, lo que llevará a un comportamiento más frágil [4]. En los paquetes con estructuras cristalinas, como las macromoléculas están tan cerca unas de otras en comparación con las regiones amorfas, el movimiento de las moléculas es limitado. Con base en esto, el acrílico actuaría como un modificador de impacto al reducir la formación de estructuras cristalinas [12], permitiendo mayor movilidad de las moléculas tanto de PMMA como de PLA [4]. Dicho efecto resulta en un aumento de la energía de impacto, y solo es significativo a partir de un contenido de PMMA de aproximadamente 15% wt [12].

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