Laboratorio DMA de análisis térmico de adhesivos para madera – F.F, U.F y PVA – Sólido a líquido.

MEMO 4

PARA: William
Gacitúa
E. Docente
DIMAD‐UBB DE: Daniel Puente B. Alumno Tópicos avanzados de Caracterización de Materiales. DIMAD-UBB.

 FECHA: 3 de diciembre de 2014.
 MATERIA: Laboratorio DMA de análisis térmico de adhesivos para madera – F.F, U.F y PVA – Sólido a líquido.

INTRODUCCIÓN A continuación se dará a conocer los resultados obtenidos en la experiencia de Análisis Térmico de Adhesivos para Madera, llevada a cabo en los laboratorios de Nanotecnología de la Universidad del Bío Bío. En dicha experiencia se han caracterizado sistemas adhesivos utilizando análisis dinámico mecánico (DMA). Con el objetivo de evaluar el comportamiento de los adhesivos Termoplásticos y Termoendurecibles, observando las diferencias en los diferentes polímeros, identificando las principales transiciones térmicas. Para efecto de este ensayo se ha utilizado un analizador mecánico (DMA), marca Perkin Elmer modelo 7e, donde se caracterizaron 3 adhesivos: una resina Urea formaldehido (UF), una Fenolformaldehido (FF) y un Polivinil acetato (PVA). Estos adhesivos se evaluaron desde estado sólido o gomoso a estado líquido. Con un tiempo de ensayo por resina aproximado de 22 minutos, donde la temperatura llegó a los 250°C. Las condiciones establecidas desde el analizador mecánico (DMA) para el ensayo fueron: -

Tº inicial: 25ºC Tº final 250ºC Fuerza Estática del disco de presión: 550 µN Fuerza Dinámica del disco de presión: 500 µN Velocidad inicial: 10ºC/min Frecuencia: 1000Hz

Con una herramienta cortante, se obtuvieron las muestras de los diferentes adhesivos, las cuales se midieron con un pie de metro, registrándose las dimensiones, especificadas en la tabla 1. Dichas muestras, extraídas de las resinas en estado sólido que muestra la imagen 1.

Imagen 1 – F.F, U.F y PVA en estado sólido o gomoso

F.F[mm] Largo 3.1 Ancho 2.8 Espesor 2.3

U.F[mm]

PVA[mm]

3.3

3.31

2.4

2.4

1.68

1.68

Tabla 1 – Dimensiones de muestras sólidas sometidas a ensayo.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Nota: -

El Módulo de Pérdida (Loss Modulus) tiene relación directa con la componente viscosa.

-

El Módulo de Almacenamiento (Storage Modulus) tiene relación directa con la componente elástica.

-

𝑇𝑎𝑛 𝜕 =

𝐿𝑜𝑠𝑠 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑢𝑠 𝑆𝑡𝑜𝑟𝑎𝑔𝑒 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑢𝑠

parámetro útil para identificar respuestas térmicas de una material

polimérico. -

En teoría debería ser La Temperatura de transición vitrea (Tg) F.F > U.F > PVA debido al peso molecular (asociado a la viscosidad) de cada adhesivo.

F.F - Sólido a Líquido [Termoendurecible] 8,00E+07

1,40E-01

7,00E+07

1,20E-01

Módulo [Pa]

6,00E+07

1,00E-01

5,00E+07 8,00E-02 4,00E+07

Strorage Modulus (Pa) 6,00E-02

3,00E+07 4,00E-02

2,00E+07

Loss Modulus (Pa) Tan delta

2,00E-02

1,00E+07 0,00E+00

0,00E+00 25 40 55 70 85 100 115 130 145 160 175 190 205 220 235

Temp [°C] Gráfico 1 – Comportamiento muestra resina F.F – sólido a líquido. Este es un polímero tipo red, no fluye a alta T°, pero si se degrada, se caracteriza por su rigidez, debido al alto entrecruzamiento (forma de uniones químicas, que producen una red tridimensional). En el gráfico 1 se puede visualizar que el F.F, tiene una Tg (caída de resistencia) entre los 175-190°C debido a que el Módulo de Almacenamiento en esa Temperatura tiene un claro aumento, lo que indica que la elasticidad aumenta, explicando la lógica que el material está pasando de estado sólido a líquido. La Tangente Delta acompaña el comportamiento evidenciando la respuesta térmica en la temperatura antes mencionada para el Tg. El Módulo de Pérdida, pareciera estar casi constante durante el ensayo, no obstante en el proceso la viscosidad del material disminuye. A los 250°C la resina no se funde sino que se degrada.

U.F - Sólido a Líquido [Termoendurecible]

Módulo [Pa]

2,50E+06

6,00E-01 5,00E-01

2,00E+06

4,00E-01 1,50E+06

3,00E-01 1,00E+06

Strorage Modulus (Pa) Loss Modulus (Pa)

2,00E-01 5,00E+05

Tan delta

1,00E-01

0,00E+00

0,00E+00 25 40 55 70 85 100 115 130 145 160 175 190 205 220 235

Temp [°C] Gráfico 2 - Comportamiento muestra resina U.F – sólido a líquido. Este es un polímero tipo red, no fluye a alta T°, pero si se degrada, se caracteriza por su rigidez aunque menor a la del F.F, debido al alto entrecruzamiento (forma de uniones químicas, que producen una red tridimensional). En el Gráfico 2 se identifica la principal transición térmica, a los 84°C aprox. donde se va a definir el punto de caída de resistencia (Tg), ya que el Módulo de Pérdida asociado a la componente viscosa tiene una caída notoria. La Tangente Delta afirma esta respuesta térmica al aumentar casi exponencialmente cercano a la temperatura indicada, en donde se iniciaría el movimiento de segmentos de la cadena polimérica. A los 250°C temperatura de finalización del ensayo, este polímero no se funde sino que se degrada.

PVA - Sólido a Líquido [Termoplástico] 1,60E+07

0,6

Módulo [Pa]

1,40E+07

0,5

1,20E+07 0,4

1,00E+07 8,00E+06 6,00E+06

0,3

Strorage Modulus (Pa)

0,2

Loss Modulus (Pa)

4,00E+06 0,1

2,00E+06 0,00E+00

Tan delta

0 22 37 52 67 82 97 112 127 142 157 172 187 202 217 232

Temp [°C] Gráfico 3 - Comportamiento muestra resina PVA – sólido a líquido. El Polivinil Acetato es un adhesivo Termoplástico, el cual es capaz de repentinamente ablandarse por efecto del calor aplicado. Es un polímero lineal o ramificado que se funde al ser sometido a altas Temperaturas, el cual a diferencia de los adhesivos Termoendurecibles, este tiene Temperatura de fundición (Tm). En el gráfico 3 se identifica claramente la caída de resistencia (Tg) a los 34°C aprox. ya que en ese punto el Módulo de almacenamiento, asociado a la elasticidad aumenta, y el Módulo de pérdida asociado a la componente viscosa disminuye, explicando la lógica esperada en el proceso de transición de sólido a líquido. Cómo se establece para este tipo de Adhesivo Termoplástico, efectivamente un Tg a esa temperatura, demuestra que el polímero es capaz de repentinamente ablandarse por efecto del calor. La fundición del polímero Tm se podría definir a los 210° en donde la Tangente Delta y el Módulo de Pérdida, se mantienen constantes.

Tg [°C] F.F U.F PVA

175 - 190 84 34

Tabla 2 – Resumen de Tg por Adhesivo

CONCLUSIONES Llevando a cabo el ensayo DMA para los adhesivos F.F, U.F y PVA se logró observar y analizar el comportamiento de los adhesivos Termoplásticos y Termoendurecibles, observando las diferencias en los diferentes polímeros e identificando las principales transiciones térmicas. Se determinó a través de los resultados lo que teóricamente se estableció al inicio, que la Temperatura de transición vitrea (Tg) F.F > U.F > PVA, esto debido al peso molecular (asociado a la viscosidad) de cada adhesivo. El Análisis Dinámico Mecánico demostró ser una herramienta útil al momento de estudiar y caracterizar el comportamiento de materiales viscoelásticos como los 3 polímeros sometidos a ensayo.