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Envejecimiento artificial Predicciones sobre el comportamiento de los materiales
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Envejecimiento artificial
Un avión se construye a partir de materiales diversos que son sometidos a diferentes cargas.
El avión despega, por ejemplo, en aire caliente tropical y se mantiene a una altitud de 10 km,
en un rango de temperaturas muy por debajo de los cero grados. Además de las enormes
diferencias climáticas, se producen otras cargas como, por ejemplo, vibraciones que afectan al
material durante el vuelo. Estas cargas pueden envejecer el material hasta el punto de modificar
sus propiedades.
Por esta razón, durante el desarrollo se llevan a cabo ensayos de envejecimiento artificial con
el fin de evitar fallos en los materiales durante el vuelo. Sin embargo, a menudo se realizan
ensayos apresurados para ahorrar tiempo y costes, lo que supone un aumento del nivel de
carga. La valoración y evaluación finales aportan información sobre si un material es apto para
su finalidad prevista. De este modo, se pueden reducir significativamente los costes derivados
de la sustitución continua de componentes.
Resumen
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Índice
¿Qué es el envejecimiento artificial?
Envejecimiento acelerado
Valoración y evaluación
2 Resumen
4 ¿Qué es el envejecimiento?
7 Un apunte: Svante Arrhenius
9 Tipos de envejecimiento
12 Envejecimiento artificial
15 Nota legal
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Envejecimiento artificial
Se utilizan materiales de todo tipo para los más diversos propósitos. Durante su uso,
los materiales están sometidos a los más variados influjos y cargas que pueden afectar
enormemente a su vida útil. Un ejemplo de ello es un avión que despega en aire caliente
tropical y se mantiene, a una altitud de 10 km, en un rango de temperaturas muy por debajo
de cero durante un largo periodo de tiempo. Además de las enormes diferencias climáticas, se
producen otras cargas como, por ejemplo, vibraciones que afectan al material durante el vuelo.
Estas diferentes cargas pueden afectar al material hasta el punto de modificar sus propiedades
irreversiblemente. En estos casos se habla de envejecimiento del material. De conformidad con
la norma DIN 50035, parte 1, se define envejecimiento como
"todos los procesos químicos y físicos que afectan de manera irreversible
a un material con el paso del tiempo"1
. Sin embargo, en principio no pueden distinguirse los procesos químicos de los físicos en los
efectos. Por lo general, estos procesos tienen lugar de forma simultánea, lo que produce un
efecto complejo. En el siguiente esquema se muestra de modo simplificado un proceso de
envejecimiento.
1 DIN 500035 parte 1, sección 1 Envejecimiento, 03-1989
Procesos de envejecimiento
Envejecimiento químico
Formación de grietas
Concentración de tensiones
Envejecimiento físico
Modificación de la estruc-tura cristalina
Aumento de
la cristalinidadRelajaciones
Roturau
u
u u
u
uu
u
¿Qué es el envejecimiento?uu
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Envejecimiento artificial
Durante el envejecimiento, siempre se produce una alteración negativa de las propiedades del
material o bien desaparecen dichas propiedades. En la ciencia de materiales o en el control de
calidad se habla primero de fatiga de los materiales y, finalmente, de fallos de los materiales.
Sin embargo, no se trata de un proceso de envejecimiento cuando se pueden recrear las
propiedades originales mediante el tratamiento térmico de un componente.
Existen diversos factores que provocan el envejecimiento. Pueden dividirse en dos categorías.
Por un lado están los llamados factores internos que pueden estar relacionados, por ejemplo,
con la reducción de la tensión, las transformaciones por fases y estructuras o las alteraciones
de las composiciones químicas. En este libro blanco no se tratan los factores internos. En la
segunda categoría de factores se encuentran las causas externas del envejecimiento como,
por ejemplo, los cambios de temperatura, la humedad del aire, la concentración de oxígeno, la
radiación visible, ultravioleta o ionizante y las influencias químicas.
El envejecimiento de un material puede manifestarse de maneras muy diferentes. Este no
solo depende de las propiedades y de la composición del material, sino también del tipo de
desgaste. Los factores externos se dividen en seis tipos principales de envejecimiento, que
también pueden actuar de forma combinada. En el ejemplo del avión no solo existen cargas
térmicas, climáticas y mecánicas, sino también cargas corrosivas o eléctricas. Otro tipo de
envejecimiento que no debe pasarse por alto es la alteración del material provocada por la
radiación UV, apreciable especialmente en polímeros, ya que amarillean. En el capítulo 4 se
explicarán más detalles sobre los diferentes tipos de cargas que provocan el envejecimiento.
¿Qué es el envejecimiento?
Material envejecido
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Envejecimiento artificial
Un material puede envejecer de muchas maneras según las diferentes influencias que reciba.
Esto se describe mediante la modificación de las propiedades en relación con el material.
En este caso, la resistencia frente a una carga determinada desempeña un papel fundamental.
Se puede representar la modificación de las propiedades con esta fórmula simplificada:
Modificación de las propiedades = resistencia x esfuerzo
No obstante, la sensibilidad puede cambiar en el curso del envejecimiento, de forma que se
acelere o desacelere la modificación de las propiedades. Es posible influir en ello, por ejemplo,
añadiendo estabilizadores especiales a los polímeros. De esta forma se altera la sensibilidad
del polímero. En principio, todos los materiales orgánicos son inestables en el aire y muestran
signos de envejecimiento transcurrido un periodo determinado. Esto no se puede evitar ni con
estabilizadores, únicamente se puede retrasar.
Además, en el envejecimiento no solo resulta relevante la composición del material, sino
también sus antecedentes y su procesamiento. Este es un criterio importante precisamente
en el envejecimiento artificial, que se expone en el capítulo 5, ya que en este caso también
se llevan a cabo envejecimientos acelerados. Otro criterio importante es el almacenamiento
y las modificaciones de las propiedades que resultan de este, ya que aquí pueden iniciarse
reacciones de envejecimiento debido, por ejemplo, a cargas térmicas.
¿Qué es el envejecimiento?
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Envejecimiento artificial
Svante August Arrhenius nació en Suecia en 1859. Era hijo de un inspector de la Universidad
de Upsala, donde luego estudiaría matemáticas, química y física. Al finalizar su formación,
Arrhenius se trasladó a la Universidad de Estocolmo y se volcó en el estudio de la conductividad
galvánica de los electrolitos. Al respecto publicó en 1887 su "teoría química de los electrolitos"
que expone que los electrolitos se disocian en agua o soluciones acuosas. A partir de esta
teoría surgieron las definiciones de ácidos y bases vigentes actualmente. Según estas, los
ácidos son sustancias que forman los iones H+(aq) en una solución acuosa. En cambio, las
bases son sustancias que forman los iones OH– (aq) en una solución acuosa. Sin embargo,
estos iones pueden volver a neutralizarse en agua.
H+ (aq) + OH– (aq) H2O
Gracias a sus investigaciones sobre este tema, Arrhenius recibió en 1903 el Premio Nobel de
Química.
Arrehnius no solo se dedicó a estudiar la disociación de los electrolitos, sino también la
dependencia térmica de la velocidad de reacción. Para ello planteó una ecuación que
determina la constante de la velocidad de reacción en función de la energía de activación y de
la temperatura.
k = A × e–E / (R × T)
k Constante de la velocidad de reacción
A Constante característica para la reacción
Ea Energía de activación
R Constante de gas ideal
T Temperatura
La ecuación muestra la interdependencia entre la temperatura y la energía de activación. En ella,
el factor e–E / (R × T) es la parte que indica cuándo se ha superado la barrera de la activación.
Cuando aumenta la temperatura, crece exponencialmente la constante de la velocidad de
reacción. Esto significa que un pequeño aumento de la temperatura puede suponer una
modificación o aumento considerables de la velocidad de reacción.
a
a
Un apunte: Svante Arrhenius
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Envejecimiento artificial
En este punto, también es notable la relación con el envejecimiento de los materiales.
La ecuación de Arrhenius explica por qué se produce el envejecimiento térmico y por qué
puede acelerarse artificialmente. No obstante, existen otros mecanismos de envejecimiento
que no pueden calcularse con la ecuación de Arrhenius.
Con su ecuación para calcular las constantes de reacción, Arrhenius concibió una aproximación
que se aplica en muchos ámbitos. Esta constituye la base para diferentes modelos de
envejecimiento que se emplean actualmente para realizar predicciones.
Un apunte: Svante Arrhenius
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Envejecimiento artificial
Cargas térmicas
Se habla de cargas térmicas cuando el material se somete a diferentes temperaturas. En estos
casos, la temperatura puede mantenerse constante durante un largo periodo de tiempo o bien
cambiar continuamente. Así, la temperatura influye de manera completamente distinta según
las propiedades y la composición del material. Por esta razón, diferentes materiales que han
sido empleados en la construcción de una misma estructura envejecen a distintas velocidades.
Sin embargo, las altas temperaturas son la causa más frecuente de envejecimiento del material.
Ello se debe a que, por lo general, el aumento de la temperatura se traduce en la aceleración
de las reacciones químicas. Es imposible evitar las reacciones químicas entre el material y los
átomos de oxígeno e hidrógeno del aire, pues siempre están presentes.
Cargas climáticas
Por carga climática se entiende la interacción entre temperatura y humedad. En ese caso, la
humedad del aire depende de la temperatura correspondiente. A mayores temperaturas, se
puede absorber más agua en la mezcla de gases del aire.
La humedad relativa indica lo elevada que es la proporción de agua absorbida en relación con la
proporción máxima a una temperatura determinada. Si la temperatura baja y no se pierde agua,
la humedad relativa del aire aumenta.
Es preciso considerar conjuntamente esta interacción entre temperatura y humedad en el
envejecimiento de los materiales. Al igual que la temperatura, la humedad del aire es un factor
de aceleración en las reacciones químicas. Así, la humedad del aire acelera el envejecimiento
de un material, igual que lo hace la temperatura.
Cargas climáticas
Tipos de envejecimiento
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Envejecimiento artificial
Cargas corrosivas y envejecimiento químico
La corrosión se produce principalmente en la superficie y solo puede tener lugar en caso de
depósito de un reactivo. Sin embargo, la reacción química que provoca la corrosión no puede
producirse mientras no exista una energía de activación suficiente.
En el caso de las cargas corrosivas, como en todas las corrosiones, la superficie se va
modificando cada vez más en el transcurso de la reacción. Si hubiera que representar el proceso
de corrosión como una función, el trazado se parecería mucho al de una función logarítmica.
Cargas mecánicas
Otro tipo de carga que provoca envejecimiento es la carga mecánica. Esta describe el número
de flexiones que puede soportar un material. Según el radio de flexión o tensión a que se
somete el material, varía enormemente el número de flexiones alternadas.
La fluencia de un material es otro de los efectos de las cargas mecánicas. Es "la deformación
plástica, en función del tiempo, de un material bajo carga"2. Sin embargo, los efectos de la
carga mecánica no solo dependen del tipo de material, sino que varían enormemente según la
composición.
Cargas eléctricas
Las cargas eléctricas solo se producen en componentes de accionamiento eléctrico.
El envejecimiento de dichos componentes depende del campo eléctrico, la tensión y el tiempo
de exposición.
Envejecimiento UV
Cuando se habla de envejecimiento UV, se trata normalmente de los efectos de la radiación solar
y raramente de la luz UV generada artificialmente. El sol causa, por ejemplo, la decoloración de
la superficie o incluso el envejecimiento de los polímeros, en el plano molecular.
En el envejecimiento por radiación solar tienen lugar diferentes procesos. Se clasifican en tres
tipos de reacción: fotólisis, fotooxidación y fotocatálisis.
2 Rösler, Joachim/ Harders, Harald/ Bäker, Martin, Mechanisches Verhalten von Werkstoffen, B.G. Editorial Teubner, 2006, Wiesbaden
Tipos de envejecimiento
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Envejecimiento artificial
Tipos de envejecimiento
Durante la fotólisis, se absorbe un fotón y esta energía provoca una reacción química que tiene
lugar sin la participación del oxígeno.
En cambio, en la fotooxidación, además de la energía fotónica, se requiere oxígeno del aire para
poner en marcha un proceso de envejecimiento.
Por su parte, la fotocatálisis solo puede tener lugar si la superficie del material presenta
propiedades semiconductoras. A través de la energía fotónica producida por la radiación solar
se crean radicales, lo que permite la oxidación en el material.
H H H H
C C C HC = CH C +m HCI
H Cl n H m Cl+ hʋ
RH R• + H•
R• + O2 RO2
RO2 + RH ROOH + R•
+ hʋ
•
•
Banda de conducción e–
Banda de valencia h+
Estímulo Separación energéticaRecombinación
u
u
u
u
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Envejecimiento artificial
Se habla de envejecimiento artificial cuando se intenta provocar el proceso de envejecimiento
de un material mediante cargas generadas artificialmente. Para ello se emplean, por ejemplo,
cámaras de simulación medioambiental y sistemas de prueba de vibraciones o de agentes
atmosféricos.
El envejecimiento artificial se utiliza generalmente en nuevos desarrollos o en trabajos de
investigación. Precisamente en las tareas de desarrollo es importante observar y documentar
los cambios en las propiedades. Para ello, naturalmente es necesario generar un resultado
reproducible. De este modo es posible contemplar la probabilidad de fallo. Se considera fallo la
decoloración o amarilleamiento de un componente, por ejemplo, en el interior de un vehículo,
debido a la radiación solar.
Debido a la gran variedad de materiales que deben someterse a envejecimiento artificial, han
surgido en los últimos años diversas normas y directrices al respecto. Con ellas se regulan
cómo deben ser los parámetros y los laboratorios para generar resultados reproducibles.
En el ámbito de los materiales aislantes eléctricos rigen especialmente las normas de ensayo
para cargas térmicas IEC 60216, ASTM D5423 y ASTM D5374. Las pruebas para determinar
las propiedades térmicas a largo plazo, como se han descrito en las normas anteriormente
mencionadas, se llevan a cabo en un horno de laboratorio especial como, por ejemplo, el
BINDER FP 115-S.
Envejecimiento artificial¿Qué es el envejecimiento artificial?
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Envejecimiento artificial
El envejecimiento acelerado está cobrando cada vez más importancia porque permite obtener
los resultados de la prueba más rápidamente y, de este modo, ahorrar tiempo y dinero.
El envejecimiento artificial se basa en que las propiedades cambian más rápidamente con el
tiempo debido a los diferentes métodos aplicados como, por ejemplo, la supresión de periodos
de descanso, la desatención de las partes con menos cargas o el aumento del nivel de carga.
También se someten a envejecimiento acelerado, por ejemplo, las uniones adhesivas de uso
diario. Un ejemplo muy conocido son los chips de las tarjetas de crédito que se pegan y deben
resistir las más diversas cargas climáticas y mecánicas. Para ello, no solo se almacenan las
uniones adhesivas a altas temperaturas, sino que se someten a cambios climáticos. Para estas
pruebas se utilizan cámaras de simulación medioambiental como las que ofrece la empresa
BINDER.
El problema que plantea el envejecimiento artificial es que en los experimentos pueden fallar otros
componentes, al igual que más adelante durante su aplicación concreta. La razón radica en la
cantidad de energía de activación para la reacción química. Con el envejecimiento acelerado
térmicamente, se intenta ganar tiempo mediante el aumento de la temperatura. De este modo,
se proporciona suficiente energía de activación para las reacciones que no tienen lugar así en el
terreno. Por lo tanto, es imprescindible verificar la configuración del ensayo como, por ejemplo,
en el ámbito de los agentes atmosféricos. En este caso, la configuración del ensayo en un
sistema de agentes atmosféricos suele comprobarse mediante una exposición a la intemperie.
Los objetos de ensayo son sometidos paralelamente a diferentes cargas al aire libre y, por
último, se comparan con los objetos de ensayo del sistema de agentes atmosféricos. Como
superficie a la intemperie sirve, por ejemplo, el tejado del edificio de una oficina o laboratorio.
A pesar de ello, la presión sigue aumentando para continuar acelerando las pruebas y los
procesos y conseguir resultados más rápidos. Así, los niveles de carga siguen aumentando.
De este modo se ahorra, sobre todo, tiempo en los experimentos de envejecimiento y también
costes de desarrollo.
Envejecimiento artificialEnvejecimiento acelerado
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Envejecimiento artificial
Envejecimiento artificialValoración y evaluación
Después de realizar las pruebas de carga, es preciso evaluarlas. Para que esto sea posible,
debe poder medirse el envejecimiento del material.
Para tal fin existe, por un lado, la posibilidad de observar la probabilidad de fallo mediante los
diferentes objetos de ensayo. Es crucial el tiempo que transcurre hasta que falla un número
establecido de objetos de ensayo.
Otra posibilidad de medición es observar los cambios de propiedades durante un periodo
definido. Sin embargo, hay que tener en cuenta que las diferentes propiedades pueden cambiar
a distintas velocidades.
La valoración y evaluación finales aportan, en primer lugar, información sobre si una pieza,
componente o material son aptos para su finalidad prevista. En determinadas circunstancias,
debe buscarse una nueva composición de material u otra pieza y volver a realizar la prueba.
Esto supone más tiempo de desarrollo y costes adicionales. Sin embargo, estos costes siguen
resultando asequibles si se comparan con los posibles costes posteriores.
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Envejecimiento artificial
Aviso legal
Ina Kanngiesser es jefa de producto en el departamento de Simulación Medioambiental de
BINDER GmbH y responsable de las cámaras de simulación medioambiental que se emplean
en el campo de la ciencia y de la industria.
BINDER es el mayor especialista del mundo en cámaras de simulación para laboratorios científicos
e industriales. Con sus soluciones tecnológicas, la empresa contribuye sustancialmente a una
mejora permanente de la salud y la seguridad de la humanidad. La gama de productos es apta
tanto para aplicaciones rutinarias como para tareas específicas de investigación y desarrollo,
producción y control de calidad. BINDER cuenta con unos 400 empleados en todo el mundo
y una cuota de exportación del 80 %. En 2014 alcanzó un volumen de ventas de 60 millones
de euros.
BINDER GmbH
Im Mittleren Ösch 5
78532 Tuttlingen
Tel.: +49(0)74 62-20 05-0
www.binder-word.com
| Descripción de la empresa
| Contacto
| Autor
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Envejecimiento artificial
Aviso legal
| Fuentes
http://kunststoffreport.de/materialalterung
http://www.bam.de/de/kompetenzen/fachabteilungen/abteilung_5/fg51/fg51_ag3a.htm
http://www.chemie.de
www.binder-world.com
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1903/arrhenius-bio.html
http://www.seilnacht.com/chemiker/chearr.html
Mortimer, Charles E./ Müller, Ulrich, Chemie – Das Basiswissen der Chemie,
8., komplett überarbeitete Auflage, Georg Thieme Verlag, 2003, Stuttgart
Rösler, Joachim/ Harders, Harald/ Bäker, Martin, Mechanisches Verhalten von Werkstoffen,
B.G. Editorial Teubner, 2006, Wiesbaden
Ehrenstein, Gottfried W./ Pongratz, Sonja, Beständigkeit von Kunststoffen – Tomo 1,
1ª edición, editorial Carl Hanser, 2007
