Estudio del comportamiento tribológico de polietilenos entrecruzados sometidos a desgaste abrasivo

Abstract

En el presente trabajo de tesis se aborda el estudio del efecto de entrecruzar molecularmente un polietileno de alta densidad con distintas concentraciones de un peróxido orgánico sobre su comportamiento tribológico en condiciones de desgaste abrasivo. El estudio también contempla estudiar la manera en que la incorporación de negro de humo como agente estabilizante ultravioleta y la exposición a la radiación ultravioleta de los materiales influyen sobre la respuesta tribológica de los mismos. Se realizó una caracterización de la estructura de los materiales mediante la técnica de extracción de soluto usando solvente para determinar la partición entre material soluble y gel, y también se determinaron parámetros como la cristalinidad, temperatura de fusión, densidad y microdureza Vickers. La resistencia al desgaste y el comportamiento en fricción se determinó empleando tres tipos de ensayos tribológicos: ensayos de bloque sobre rueda de acero usando arenas cuarcíticas con distintos tamaños de partículas como agentes abrasivos para evaluar el desgaste abrasivo por tres cuerpos; esfera de acero sobre placa de polímero en deslizamiento reciprocante para determinar la influencia de la temperatura y humedad ambiente en el comportamiento tribológico de los materiales; ensayos de rayado a carga variable con un indentador cónico de acero para establecer el efecto de la exposición a la radiación ultravioleta y el agregado de negro de humo, en la resistencia al desgaste de los polímeros. Los resultados de caracterización indican que un incremento en la concentración de peróxido utilizada para modificar el polímero produce un aumento en las proporciones de gel, una disminución en la cristalinidad, densidad, temperatura de fusión y microdureza Vickers. Fue posible establecer que los materiales entrecruzados presentan una mejor resistencia al desgaste que el polímero original en los ensayos de abrasión por tres cuerpos utilizando el barro abrasivo que contiene partículas de arena cuarcíticas de mayor tamaño. El polietileno presenta una mejor resistencia al desgaste que los materiales entrecruzados en los ensayos tribológicos bajo abrasión por tres cuerpos con partículas de arena de menor tamaño. La tasa de desgaste de los materiales ensayados con partículas grandes es entre 4 y 8 veces mayor que la correspondiente al mismo material evaluado con partículas chicas. El entrecruzamiento del polietileno produce una disminución en la resistencia al desgaste en situaciones de abrasión en movimiento reciprocante y de rayado. Los resultados del estudio tribológico en movimiento reciprocante indican que la tasa de desgaste pasa un valor mínimo cuando la humedad ambiente es de 50%, mientras que un incremento en la temperatura ambiente produce un incremento en las tasas de desgaste. La influencia de la temperatura y humedad ambiente sobre el coeficiente de fricción es función del tipo de material, siendo el polietileno más sensible a cambios en la humedad. La exposición a la radiación ultravioleta produce un aumento en la resistencia al desgaste de los polietilenos entrecruzados, pero no afecta la resistencia al desgaste del polietileno. La incorporación de negro de humo evita la ocurrencia del mecanismo abrasivo de corte en los materiales sometidos a largos periodos de exposición ultravioleta, pero hace aumentar la tasa de desgaste y coeficiente de fricción respecto a aquellos materiales que no fueron aditivados. Se observó, también, que el coeficiente de fricción de los materiales entrecruzados resulta mayor al del polímero base en situación de abrasión por rayado.

This dissertation investigates the impact of molecular crosslinking on the tribological behavior of high-density polyethylene under abrasive wear conditions. Crosslinking of the polymer was achieved using an organic peroxide initiator. Additionally, the study examines the effect of incorporating carbon black as an ultraviolet protection agent for the materials under study. Changes in molecular structure and morphology were assessed through solute extraction techniques to determine gel content, as well as calorimetric and hardness tests to evaluate changes in crystallinity, melting temperature, and Vickers microhardness. Wear resistance and friction behavior were evaluated using three types of tests: block-on- ring tests with fine and coarse quartz sand as abrasive agents to assess three-body abrasive wear; ball-on-plate tests with reciprocating motion to determine the influence of temperature and ambient humidity on the tribological behavior of the polymers; and scratch tests with variable load to establish the effects of ultraviolet exposure and carbon black addition on the wear resistance of the polymers. The results indicate that increasing the peroxide concentration used to modify the polymer leads to higher gel content, and decreases in crystallinity, density, melting temperature, and Vickers microhardness. Crosslinked materials showed improved wear resistance compared to the original polymer in three-body abrasion tests with coarse quartz sand, while polyethylene exhibited greater wear resistance than crosslinked materials in three-body abrasion tests with fine quartz sand. The wear rate with coarse sand was found to be four to eight times higher than with fine sand. Crosslinking of polyethylene resulted in decreased wear resistance under two-body reciprocating motion and scratch conditions. Results obtained for reciprocating motion tests show a minimum wear rate when humidity is 50%, while an increase in temperature produces an increment in wear rate. The effect of humidity and temperature on the friction coefficient depended on the material type, with polyethylene being more sensitive to humidity changes. Ultraviolet exposure increased the wear resistance of crosslinked polyethylene but did not affect the original polymer. The addition of carbon black prevented the occurrence of cutting mechanisms in materials subjected to long periods of ultraviolet exposure; however, materials with carbon black showed higher wear rates and friction coefficients. Finally, crosslinked materials exhibited higher friction coefficients compared to the base polymer.