Conocer los efectos del ozono en el caucho es realmente crucial para los ingenieros y diseñadores, especialmente cuando se crean productos destinados a entornos al aire libre o con una alta concentración de ozono. Incluso a bajas concentraciones, el ozono puede provocar una degradación significativa de los materiales de caucho con el tiempo, afectando su rendimiento y vida útil.
El efecto principal del ozono en el caucho es la aparición de fisuras, especialmente en las zonas expuestas, estiradas o tensadas. Este fenómeno, a menudo denominado «marchitamiento seco», se produce debido a la descomposición de la estructura molecular del caucho por radicales libres inducidos por el ozono. Esta degradación puede comprometer la integridad y la funcionalidad de los componentes de caucho, lo que plantea preocupaciones sobre la seguridad y la fiabilidad en diversas aplicaciones.
Los diferentes polímeros de caucho presentan grados de resistencia variables a la degradación por ozono. En general, los polímeros de caucho menos saturados son más susceptibles a los efectos del ozono debido a que contienen un mayor número de enlaces químicos dobles y triples en su estructura. Estos enlaces insaturados se convierten en objetivos para los radicales libres inducidos por el ozono, lo que lleva al deterioro del material.
El caucho EPDM destaca por su estabilidad excepcional en entornos ricos en ozono, lo que lo convierte en una opción preferida para aplicaciones que requieren alta resistencia al ozono, como las juntas de las puertas de los automóviles y los selladores para la protección contra la intemperie. La resistencia intrínseca del material de caucho determina su idoneidad para aplicaciones específicas, garantizando una durabilidad y un rendimiento superiores en condiciones ambientales adversas.
Para evaluar el comportamiento de un material de caucho cuando se expone a ozono, se emplean métodos de ensayo estandarizados como la ASTM D1171. Estos métodos proporcionan un enfoque sistemático para evaluar la resistencia al ozono y pueden determinar si un material cumple los criterios predeterminados para obtener resultados satisfactorios o no. Además, estas pruebas permiten monitorizar la velocidad de crecimiento de las fisuras en el material, ofreciendo información sobre su durabilidad y deterioro con el tiempo.
El uso de cámaras de prueba de ozono, como la Mast/Keystone 700-10LTA, permite la exposición controlada de los ejemplares de caucho al ozono en condiciones ambientales simuladas. Al someter los ejemplares a tensiones predeterminadas y monitorear los niveles de concentración de ozono, los ingenieros pueden evaluar con precisión el rendimiento de un material y predecir su vida útil en aplicaciones del mundo real.
En general, comprender los efectos del ozono en el caucho y utilizar metodologías de ensayo adecuadas son pasos esenciales para garantizar la durabilidad, la fiabilidad y la seguridad de los productos de caucho en diversas aplicaciones.
Preparar los módulos para su prueba
Para preparar los módulos para su ensayo, se los aclimatan primero a la temperatura ambiente durante 70-72 horas en un laboratorio antes de ser trasladados a una cámara libre de ozono durante otros 70-72 horas a 40°C. Este proceso estimula la elevación de las ceras del material a la superficie, mejorando la protección del caucho.
Testar los módulos en una cámara de ozono
El ensayo estándar se inicia con una concentración de ozono de 50±5 partes por cien millones (pphm) durante 72 horas. Posteriormente, los módulos de ensayo se extraen y evalúan basándose en dos criterios principales: A) la magnitud de las fisuras bajo una ampliación de 2x, y B) su conformidad con el parámetro de referencia especificado. Es importante mencionar que estos módulos también se evalúan con frecuencia a intervalos de 24 y 48 horas.
Algunos de los compuestos de caucho más utilizados en la industria incluyen el caucho de etileno-propileno-dieno (EPDM), el silicona, el caucho de nitrilo hidrogenado (HNBR) y el nitrilo. El EPDM, el silicona y el HNBR suelen presentar un rendimiento excelente, obteniendo a menudo una calificación muy positiva (0) cuando se evalúan según las especificaciones de degradación del ozono.
Por el contrario, el nitrilo (Buna-N) carece de una resistencia substancial al ozono, exhibiendo con frecuencia fisuras en el módulo exterior. En consecuencia, el nitrilo suele recibir una calificación comparativamente inferior, lo que pone de manifiesto por qué, a pesar de su disponibilidad, puede no ser siempre la opción óptima. Es notable que un defecto significativo del nitrilo se encuentra en las aplicaciones en dispositivos médicos. Si bien los primeros ensayos pueden arrojar resultados satisfactorios, la prueba en campo suele revelar fallos debido a la exposición al ozono, a veces evidentes incluso al permitir que el dispositivo médico se quede en una mesa durante un período prolongado.
A veces, al tratar con materiales reconocidos por su alta resistencia al ozono, como el etileno propileno, algunos desarrolladores de productos optan por extender la duración de la exposición para cumplir con la última parte del procedimiento de ensayo. En estos casos, la duración dentro de la cámara de ozono se prolonga hasta seis semanas, y los especímenes de ensayo se recuperan cada dos semanas para su inspección con el fin de detectar cualquier indicio de fisuración.
Underwriters Laboratories (UL) lleva a cabo otra aplicación de exposición prolongada mediante el método de ensayo UL 157, que evalúa los compuestos en función de su idoneidad tanto frente al ozono atmosférico como al generado. Este método implica someter los especímenes montados a condiciones específicas: una presión parcial de ozono de 90-110 milipascuales (MPa) durante 70 horas a una temperatura de 40 ± 2°C (104 ± 3,6°F) para aplicaciones que implican ozono atmosférico, y una presión parcial de ozono de 10.000 a 15.000 milipascuales (mPa) durante 70 horas a la misma temperatura para aplicaciones que implican ozono generado.
Algunos desarrolladores optan por un enfoque alternativo dentro de este método de prueba, utilizando la exposición al exterior en lugar de una cámara controlada. En este método, las piezas se colocan orientadas al sur con un ángulo de 45° respecto al suelo para la exposición. La ventaja de esta técnica radica en lograr una exposición a la intemperie en tiempo real, lo que ofrece una evaluación más auténtica del rendimiento del material. Sin embargo, la misma exposición en tiempo real también puede representar un desafío. A menudo resulta poco práctico esperar durante tanto tiempo para observar el inicio del deterioro, especialmente cuando se utiliza un material resistente a la intemperie y al ozono.
Algunos desarrolladores optan por un enfoque alternativo dentro de este método de prueba, utilizando la exposición al exterior en lugar de una cámara controlada. En este método, las piezas se colocan orientadas al sur con un ángulo de 45° respecto al suelo para la exposición. La ventaja de esta técnica radica en lograr una exposición a la intemperie en tiempo real, lo que ofrece una evaluación más auténtica del rendimiento del material. Sin embargo, la misma exposición en tiempo real también puede representar un desafío. A menudo resulta poco práctico esperar durante tanto tiempo para observar el inicio del deterioro, especialmente cuando se utiliza un material resistente a la intemperie y al ozono.
Cuando el ozono ataca los polímeros de caucho, los fabricantes emplean ceras y antiozonantes—aditivos químicos en la formulación que eliminan los radicales libres generados por el ozono antes de que puedan dañar la estructura del polímero—para proteger el caucho. Las ceras se depositan en la superficie, formando una capa protectora que ralentiza la penetración del ozono. Este fenómeno suele observarse al comprar neumáticos nuevos, ya que los consumidores pueden notar el recubrimiento de cera en la superficie del neumático. En consecuencia, a las personas que compran nuevos neumáticos para bicicletas o motocicletas se les suele aconsejar que circulen lentamente al principio para eliminar la cera y garantizar una buena adherencia a la carretera antes del uso habitual.
El caucho EPDM, el silicio, el HNBR, el neopreno, el FKM y el fluorosilicona presentan una resistencia superior al ozono, mientras que el nitrilo, el caucho natural y el SBR son más susceptibles a los daños por el ozono. Al diseñar, es esencial evaluar si el componente de caucho se verá afectado por la exposición al ozono incluso durante el almacenamiento. Es fundamental considerar la vida útil deseada de la pieza una vez expuesta y la proximidad de los motores eléctricos o los dispositivos a la pieza de caucho. Responder a estas preguntas críticas de diseño es fundamental antes de seleccionar el material de caucho adecuado.
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