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Mejorando la resistencia al agrietamiento causado por el estrés térmico en compuestos para cables

El agrietamiento por estrés térmico puede minimizarse o eliminarse eligiendo cuidadosamente la formulación del compuesto y las condiciones de extrusión.

Cuando el cable es expuesto a temperaturas elevadas, incluso en periodos tan cortos como dos días a una temperatura de 100°C, los compuestos utilizados para hacer el cable pueden experimentar degradación o reordenamiento del polímero, lo cual puede resultar en una pérdida de resistencia al desgarro.

Esta degradación o reordenamiento de polímero puede causar grietas en la capa exterior en un fenómeno llamado agrietamiento por estrés térmico. La resistencia al agrietamiento por estrés térmico (TSCR por sus siglas en inglés) de un producto, depende de la formulación del compuesto y las condiciones de procesamiento bajo las cuales el cable fue extruido, además de la temperatura del ambiente. El agrietamiento por estrés térmico puede minimizarse o eliminarse eligiendo cuidadosamente la formulación del compuesto y las condiciones de extrusión.

¿Por qué ocurre el agrietamiento por estrés térmico?

Cuando se funde, extruye y después se enfría un cable, pueden congelarse tensiones en el producto cuando el polímero se enfría demasiado rápido. Cuando un polímero es expuesto a temperaturas elevadas cercanas a su punto de fusión y por encima de su temperatura de transición vítrea, las cadenas del polímero comienzan a mover o a reorganizar los espacios cristalinos desde su posición de congelamiento (en el estado amorfo) de vuelta a su estado de equilibrio (cristalino), lo cual resulta en la contracción del polímero. Cuando la cantidad de contracción supera la fuerza de tensión del polímero, se forma una grieta.

El mecanismo de agrietamiento puede también deberse a la reducción de la resistencia al desgarro que se observa a temperaturas elevadas. Un desgarro puede iniciarse por defectos en la superficie interna del cable derivado del uso de cintas o corazas protectoras (ver Figura 1)

 

Figura 1 "Defectos internos de una cubierta causados por la envoltura con cinta"

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Los desgarros también pueden iniciarse por defectos en la superficie exterior del cable causados por malas prácticas de instalación. Una vez que un desgarro inicia en un "punto", se puede propagar a lo largo del cable y verse como una grieta, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2: "Aquí, la grieta ha seguido la línea de la coraza protectora"

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¿Cómo afecta la formulación del compuesto al agrietamiento causado por el estrés térmico?

El agrietamiento por estrés térmico se produce con más frecuencia con los compuestos con baja emisión de humos y libres de halógenos (LSHF por sus siglas en inglés), que suelen contener altos niveles de minerales en poliolefinas como el polietileno (PE), los copolímeros de metacrilato de etileno (EMA), los copolímeros de etil-vinil-acetato (EVA) y los elastómeros termoplásticos (TPE). Es más fácil que se "congelen" las tensiones en estos polímeros semicristalinos que en un PVC amorfo. Los altos niveles de relleno mineral pueden aumentar la formación de grietas al aumentar la fuerza de tensión sobre los polímeros. 

Expertos en formulación de compuestos pueden ayudar a identificar el polímero óptimo, retardantes a la flama, y otros aditivos, tales como agentes de acoplamiento, para satisfacer los requisitos de la propiedad física de una aplicación y minimizar la formación de grietas. 

Todo es un equilibrio, por ejemplo, un cierto compuesto puede requerir pasar una cierta prueba a la flama, pero requisitos de propiedad físicas específicos podrían exigir una formulación ligeramente diferente. En algunos casos, el impacto a bajas temperaturas, la fuerza de tensión y flexibilidad son importantes, la TSCR es otro factor adicional y todos estos requisitos también deben equilibrarse con los costos.

¿Cómo afecta el procesamiento del compuesto al agrietamiento causado por el estrés térmico?

Las condiciones utilizadas para extruir el cable juegan un papel significativo en la TSCR. La velocidad de enfriamiento es el factor más crítico. Un enfriamiento demasiado rápido puede congelar más tensiones en el polímero. La cristalinidad del polímero es un aspecto para tener en cuenta a la hora de optimizar la velocidad de enfriamiento; cuanto mayor sea el equilibrio de la cristalinidad del polímero, más lenta será la velocidad necesaria para el enfriamiento. Las dimensiones de la pieza también deben ser consideradas. Un producto con una pared más gruesa necesitará un enfriamiento más lento que un producto con una pared delgada.

El enfriamiento lento normalmente significa velocidades más lentas de la línea. El enfriamiento de gradiente, que utiliza agua progresivamente más fría para acelerar el enfriamiento, sin inicialmente enfriar de manera rápida el polímero, puede ayudar a prevenir el agrietamiento manteniendo las velocidades de la línea.

Prueba para medir el agrietamiento causado por el estrés térmico

El agrietamiento por estrés térmico puede ser simulado en laboratorio usando la plantilla de la prueba de -Agrietamiento por Estrés Ambiental- descrito por el British Standards Institution Test, BS EN 60811 parte 4.1: 2004 (o el equivalente al estándar IEC). Las placas de moldeado por compresión se calientan en un horno a una temperatura definida y el comportamiento de las grietas de la muestra es monitoreada a lo largo del tiempo. Esta prueba puede utilizarse para comparar compuestos, pero no toma en cuenta los efectos de procesamiento porque las muestras están moldeadas en lugar de extruidas.

Algunos fabricantes de cable llevan a cabo pruebas de campo: extruyen el cable, lo envuelven en un mandril, y lo exponen a temperaturas elevadas para ver si se agrieta.

Mexichem desarrolló una prueba de laboratorio para predecir la resistencia al agrietamiento causado por estrés térmico en piezas extruidas hechas bajo distintas condiciones de extrusión. Esta prueba da resultados más inmediatos que las pruebas de campo y ha demostrado ser un buen predictor de grietas. Puede ayudar a determinar la velocidad óptima para enfriar el material extruido de forma eficiente, y evitar congelarsion de tensiones en el producto.

Fórmulas mejoradas para disminuir el agrietamiento causado por el estrés térmico

El MEGOLON® S382 y S384 de Mexichem han sido desarrollados para mejorar la resistencia al desgarro a temperaturas elevadas con un Índice de Oxígeno (LOI) limitado de 35.

Después Mexichem desarrollo el MEGOLON® S386, que tiene un LOI de 40 y una excelente TSCR comparado a un grado estándar con el mismo LOI. La tabla I muestra los resultados de la nueva fórmula en comparación con la convencional en un rango de temperaturas de 60°C a 100°C, usando la prueba de agrietamiento por estrés térmico de laboratorio y la plantilla BS EN 60811.

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