Nuevas ideas sobre la cavitación en materiales de goma

El caucho es un material clave usado en muchas industrias, incluyendo la automotriz, construcción y productos de consumo. Una de las principales razones de su uso generalizado es su capacidad única de estirarse y volver a su forma original, lo que se conoce como viscoelasticidad. Sin embargo, incluso el caucho más resistente puede tener problemas con el tiempo. Factores como el envejecimiento, cambios de temperatura y desgaste pueden debilitar el material, causando daños internos conocidos como Cavitación, que son pequeños agujeros o vacíos que se forman dentro del caucho.

La cavitación es un problema significativo, especialmente en neumáticos. La complejidad de la fabricación de neumáticos y las condiciones duras que enfrentan en la carretera los hacen particularmente vulnerables a daños internos. Por lo tanto, las industrias están ansiosas por encontrar formas de detectar y medir la cavitación en el caucho para mejorar la calidad del producto y extender su vida útil.

Se han utilizado diversos métodos para investigar la cavitación en el caucho. Por ejemplo, las pruebas de tracción se emplean comúnmente para evaluar las propiedades físicas del caucho. Aunque las pruebas de tracción proporcionan estadísticas valiosas sobre el caucho, no pueden revelar lo que ocurre a una escala pequeña dentro del material. Otros métodos como la microscopía pueden mostrar detalles de la superficie, pero a menudo no pueden capturar estructuras internas sin una extensa preparación de las muestras.

La tomografía computarizada micro (CT) permite ver en detalle el interior de productos de caucho, pero tiene limitaciones en términos de velocidad y resolución. Una técnica prometedora es la dispersión de rayos X en ángulo pequeño (SAXS), que puede investigar estructuras internas a diferentes escalas de una sola vez. SAXS ha sido efectiva para caracterizar la cavitación en el caucho, pero los equipos más viejos tenían limitaciones en las escalas que podían medir.

Una nueva tecnología conocida como dispersión de rayos X en ángulo ultra pequeño (USAXS) puede medir cavitación y cambios estructurales en el caucho a escalas desde nanómetros hasta decenas de micrones durante el estiramiento. Este estudio utiliza un dispositivo diseñado especialmente que acomoda múltiples muestras de caucho para mediciones de alto rendimiento.

#Metodología

Se creó un dispositivo único para estirar muestras de caucho y medir los efectos de la cavitación en tiempo real usando USAXS. Este dispositivo soporta hasta 15 muestras y puede estirarlas casi hasta siete veces su tamaño original. Las muestras se hacen mezclando una matriz polimérica con sílice y aceite, variando las cantidades específicas para estudiar sus efectos en el comportamiento de la cavitación.

El proceso de estiramiento se realiza mientras se toman mediciones. Una cámara sigue el movimiento de marcadores reflectantes en las muestras para asegurar mediciones precisas de la deformación. En cada nivel de estiramiento, se recogen patrones de USAXS para analizar los efectos de la cavitación.

El dispositivo de estiramiento permite un proceso de medición cuasi-estática, lo que significa que los cambios en las muestras pueden ser registrados eficazmente a lo largo del tiempo a medida que se aplica la tensión.

#Preparación de Muestras

Las muestras usadas en este estudio fueron proporcionadas por un fabricante de piezas automotrices. Se crearon tres compuestos de caucho diferentes variando las cantidades de tres ingredientes principales: Polímero (caucho estireno-butadieno), sílice y aceite. Los compuestos de caucho se mezclaron y curaron a través de un proceso controlado. Las muestras terminadas se prepararon de acuerdo a los estándares de la industria.

Cada muestra fue sometida a pruebas para medir sus propiedades físicas, incluyendo tensión y dureza. Estas propiedades determinan qué tan bien se comportará el caucho bajo tensión y cuán propenso es a desarrollar cavitación.

#Resultados

Usando la nueva técnica de USAXS, el estudio encontró que incluso antes de aplicar tensión, las muestras de caucho mostraban un patrón de dispersión distintivo. A medida que el caucho se estira, los patrones cambian. La estructura interna del caucho comienza a alinearse en la dirección de la tensión aplicada, revelando cómo se comporta el filler de sílice dentro de la matriz de caucho.

En niveles más altos de tensión, ocurren cambios notables en los patrones, indicando la formación de cavidades. Específicamente, aparecen rayas en los patrones que sugieren la presencia de vacíos internos. Esto señala el desarrollo de cavitación, lo que puede llevar a más daños en el material.

#Dinámica de Cavitación

El análisis de los patrones de dispersión permitió a los investigadores determinar cuándo comienza la cavitación y cómo progresa. Al observar los patrones mientras se aplica tensión, los investigadores pudieron ver el punto en el que comienzan a formarse las cavidades. Esta es información crucial para mejorar la durabilidad de los productos de caucho.

La velocidad a la que se forman las cavidades variaba según la composición del compuesto de caucho. Las muestras con más componentes filler mostraron una mayor tasa de cavitación en comparación con las que contenían más polímero. Esto sugiere que el equilibrio entre polímero y filler afecta la estabilidad de la estructura interna bajo Estrés.

#Tamaño de las Cavidades

El tamaño de las cavidades también variaba según la composición. El estudio utilizó un método que mide la longitud y forma de las cavidades a medida que se forman. Se encontró que, incluso a medida que aumentaba la cantidad de polímero, el tamaño promedio de las cavidades no varió significativamente. Esto indica que el comportamiento de la matriz de caucho en sí juega un papel vital en cómo se desarrolla la cavitación.

#Implicaciones para la Fabricación de Caucho

Los hallazgos de este estudio ilustran la importancia de la composición del caucho en determinar su resistencia a la cavitación. Un compuesto de caucho que tiene demasiado filler en relación al polímero puede ser más susceptible a daños internos. Por el contrario, una mezcla de caucho que favorece el contenido de polímero demuestra mejor integridad estructural bajo estrés.

Al entender la dinámica de la formación de cavidades, los fabricantes pueden ajustar sus recetas de caucho para mejorar el rendimiento y la longevidad. Esta investigación proporciona una base para futuras investigaciones en materiales de caucho y puede llevar a formulaciones mejoradas que soporten mejor el desgaste.

#Conclusión

En resumen, este estudio revela efectivamente cómo se puede aplicar USAXS para observar la cavitación en el caucho durante el estiramiento. A través de mediciones precisas, los investigadores pueden obtener información sobre las estructuras internas de los compuestos de caucho y cómo responden al estrés. Los hallazgos enfatizan el balance crítico entre los componentes de polímero y filler en los materiales de caucho. Comprender estas interacciones puede ayudar a desarrollar productos de caucho que sean más resistentes, beneficiando así a diversas industrias que dependen de componentes de caucho.

Una investigación adicional podría expandir estos hallazgos al examinar diferentes concentraciones de sílice y polímero, proporcionando conocimientos más profundos sobre cómo mejorar las formulaciones de caucho para aplicaciones industriales.