Análisis termo-mecánico en el estudio de las propiedades termo mecánicas de películas biodegradables

Análisis termo-mecánico en el estudio de las propiedades termo mecánicas de películas biodegradables[pic 1]

Thermomechanical analysis information in the study of the thermomechanical properties of biodegradable films[pic 2]

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Resumen

El siguiente artículo científico presenta información y un ejemplo de un experimento por el método del Análisis Termo-mecánico, con el fin de aclarar ciertas dudas del mismo y como emplearlo, explicado en base a algunos antecedentes como su definición, instrumentos y metodología.

Palabras clave: Artículo científico, Análisis termo-mecánico, antecedentes, instrumentos (de análisis termo-mecánico), metodología.

Abstract

The following scientific article presents information and an example of an experiment by the Thermo-mechanical Analysis method, in order to clarify certain doubts about it and how to use it, explained based on some background such as its definition, instruments and methodology.

Key words: Scientific article, Thermo mechanical analysis, background, instruments, (of Thermo mechanical analysis), methodology.  

Introducción 

Se entiende por análisis termo mecánico o TMA al análisis que nos ayuda a determinar cambios dimensionales de sólidos, líquidos y otros materiales en función de la temperatura y/o tiempo bajo una fuerza mecánica definida. Esta tecnología es cercana a la Dilatometría (dilatómetro vertical), que determina los cambios de longitud de una muestra bajo carga negligible.

Las mediciones que podemos obtener son: expansión térmica lineal, coeficiente térmico de expansión, temperaturas de transición de vidrio, expansión volumétrica, cambios de densidad, puntos de ablandamiento dilato métricos, etc.

En este documento se pretende recopilar información sobre este tema (aplicaciones, instrumentos, materiales involucrados para dicho análisis, etc.) obtenida de distintas investigaciones o análisis.

Metodología 

Como sabemos muchos materiales experimentan cambios en sus propiedades al aplicarles temperaturas ya sean altas o bajas, estos cambios se pueden ver reflejados en un material que muestra algún tipo de ablandamiento en su estructura, así como en la expansión térmica al verse afectadas sus medidas al contraerse o expandirse el material.

Todos estos métodos de medición se basan en el cambio de las propiedades físicas o mecánicas del material con la temperatura (o el cambio con el tiempo a temperatura constante), mientras se ve afectado por un programa de temperatura controlada. Estas técnicas se pueden aplicar al estudio de casi cualquier sustancia; sin embargo, existen una serie de otras características que también se pueden medir, aunque las aplicaciones técnicas que producen son más limitadas. Existen diferentes técnicas que permiten detectar movimientos asociados a los cambios en las cadenas en el caso de los polímeros tal es el caso del análisis termo-mecano-dinámico.

El análisis termo mecánico (TMA) puede proporcionarnos información valiosa sobre la composición, estructura, condiciones de producción o posibilidades de aplicación de diferentes materiales. Tradicionalmente, la TMA se usa para caracterizar la expansión lineal, las transiciones de vidrio y los puntos de reblandecimiento de los materiales mediante la aplicación de una fuerza constante a una muestra mientras varía la temperatura. Para las mediciones de expansión, una sonda se apoya en una muestra en un escenario con una presión descendente mínima se dice específicamente de un proceso o procedimiento mecánico, producido y ocasionado por el fenómeno del calor o que está involucrado con las altas temperaturas ya que está unida por acción mecánica. La aplicación de instrumentos de análisis termo mecánico abarca desde el control de calidad hasta la investigación y el desarrollo. Las áreas básicas incluyen plásticos y elastómeros, pinturas y colorantes, materiales compuestos (materiales compuestos), adhesivos, fibras y películas, cerámica, vidrio y metales.

Análisis Térmico

Todos estos métodos de medición se basan en cambios en las propiedades físicas o mecánicas del material con la temperatura (o cambios con el tiempo a una temperatura constante), y se ve afectado por un programa de temperatura controlada. Estas técnicas se pueden aplicar al estudio de casi cualquier sustancia; sin embargo, existen una serie de otras características que también se pueden medir, aunque la tecnología que producen tiene un amplio número de aplicaciones. Por ejemplo, el análisis termo mecánico (TMA) mide los cambios en el tamaño del material con la temperatura.

Tipos de técnicas de análisis térmico

Tabla 1: Tipos de técnicas de análisis térmico

Antecedentes

La historia de la termodinámica es una etapa fundamental en la historia de la física, la química y la historia de la ciencia en general. Debido a la relevancia de la termodinámica en muchas partes de la ciencia y la tecnología, la historia de la termodinámica ha sido de naturaleza sutil con el desarrollo de la mecánica clásica, la mecánica cuántica, el magnetismo y la ciencia de la velocidad química, y en campos prácticos más remotos como la meteorología, la teoría de la información y la biología (fisiología), y el motor de vapor, maquinaria de combustión interna. También está vinculado a los avances tecnológicos como el criógeno y la generación de electricidad.

El desarrollo de la termodinámica continuó y continuó con la teoría atómica.

Narremos un poco del pasado en algunos puntos breves e importantes…

• Los antiguos veían el calor como algo relacionado con el fuego. Los antiguos egipcios consideraban que el calor estaba relacionado con orígenes mitológicos.

• En la tradición filosófica occidental, Empédocles propuso una teoría de cuatro elementos, en la que todas las sustancias derivan de la tierra, el agua, el aire y el fuego. Alrededor del 500 a. C., el filósofo griego Heráclito argumentó que los tres elementos principales en la naturaleza eran fuego, tierra y agua

• En los siglos XVIII y XIX, los científicos abandonaron la idea de un calórico físico y, en cambio, entendieron el calor como una manifestación de la energía interna de un sistema. Hoy el calor es la transferencia de energía térmica desordenada.

• En 1643, Galileo Galilei creía que el aborrecimiento del vacío de la naturaleza es limitado. Las bombas que operan en minas ya habían demostrado que la naturaleza solo llenaría un vacío con agua hasta una altura de 30 pies. Conociendo este curioso hecho, Galileo alentó a su antiguo alumno Evangelista Torricelli a investigar estas supuestas limitaciones.

Concepto

El analizador termo mecánico TMA lleva como parte principal un transductor inductivo de desplazamiento de alta precisión. Esta tecnología también es utilizada para los instrumentos de dilatometría y permite la medida de los cambios de longitud más pequeños, dentro del rango (resolución digital de 0.125 nm). El software incluido te brinda todo lo necesario para hacer las mediciones y analizar los datos, también tiene un menú de navegación muy sencillo, y unas rutinas automatizadas que simplifican el uso del instrumento

 ¿Qué se puede obtener del Análisis Termomecánico?

• Expansión térmica lineal.
• Temperaturas de sinterización.
• Puntos de ablandamiento dilato métricos
• Coeficiente térmico de expansión.
• Pasos para contracción
• Expansión volumétrica
• Temperaturas de transición de fase.
• Temperaturas de transición del vidrio.
• Cambios de densidad
• Temperatura de descomposición
• Cinética de sinterización

Experimento 

Estudiar las propiedades térmicas y viscoelásticas de films biodegradables de una mezcla de gelatina y PVA; utilizando el análisis termo mecánico dinámico (DMA). Aplicando un incremento de temperatura a través del tiempo; usando el método de experimento de corte dinámico también conocido como método estándar del análisis mecánico diferencial.

La tecnología de "fundición" también llamada “casting” se utiliza para producir películas a partir de la mezcla de dos soluciones de gelatina (solución A) y PVA (solución B). Con el fin de lograr de acuerdo con la fórmula en el estudio, se mezclaron las soluciones A y B, combinándolas por medio de agitación magnética a temperatura ambiente durante 15 minutos, obteniendo durante el estudio una concentración de 10/90% y 30/70%, PVA / gelatina. La solución resultante del experimento fue dispersada en láminas acrílicas  (12 x 12 cm) y secadas en un horno de circulación de aire (Marconi, MA037) y las dejaron secar a 30ºC durante 24-28 horas. El espesor de la película se mantuvo constante controlando la relación masa seca / aérea portadora. Después del secado, la película se acondicionó con gel de sílice en un secador para eliminar la humedad residual. Posteriormente se utilizó un analizador dinámico metálico (DMA TA2980, TA Instruments), y se le realizaron dos tipos de test en modo de estiramiento uniaxial, un barrido de frecuencia y barrido de temperatura. Durante estas pruebas utilizaron muestras rectangulares con dimensiones aproximadas de 19 mm x 5 mm, fijadas en un soporte adecuado. Durante la prueba de barrido de temperatura para medir las propiedades térmicas, la muestra fue calentada a 3°C/min entre -100 y 150°C y fue sometida una oscilación a una frecuencia constante de 1Hz con una amplitud de deformación del 0.2%. Además de que durante los test de barrido de frecuencia las propiedades viscoelásticas fueron determinadas isotermas en un rango de temperatura de 50 a 150°C en una frecuencia variable de 0.01 y 200 Hz obteniendo el espectro del modelo de pérdida (E‘') , el módulo de almacenamiento (E') de acuerdo a los resultados obtenidos.

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