El efecto de las temperaturas criogénicas en los materiales plásticos

Temperaturas criogénicas y plásticos de alto rendimiento

La criogenia es el estudio de la producción y el comportamiento de materiales a muy bajas temperaturas. Un ambiente criogénico exhibe temperaturas por debajo de -150 ° C. Muchas industrias modernas utilizan la criogenia en una amplia variedad de aplicaciones. Algunas de estas aplicaciones incluyen combustibles criogénicos, hardware de naves espaciales y maquinaria para la medicina y la biociencia. Las aplicaciones incluyen congeladores e imágenes por resonancia magnética (MRI), aceleradores de partículas e imanes superconductores. Curbell Plastics® publicó recientemente un documento técnico del Dr. Keith Hechtel sobre el efecto de las temperaturas criogénicas en algunos plásticos comunes de alto rendimiento. Este artículo resumirá brevemente algunos de los puntos principales del libro blanco.

Propiedades mecánicas

En general, todos los materiales exhiben mayor dureza y rigidez cuando se exponen a temperaturas criogénicas. Por ejemplo, el módulo de compresión del PTFE aumenta de 100 kpsi a 900 kpsi cuando se enfría desde la temperatura ambiente a 20 ° K (-424 ° F). Sin embargo, los materiales a temperaturas criogénicas se vuelven más frágiles y tienen una resistencia al impacto Izod y un alargamiento por tracción más bajos. El alargamiento por tracción describe cuánto se doblará un material bajo presión antes de romperse. Los plásticos ya son más propensos a romperse que muchos metales. Por lo tanto, se deben tomar precauciones especiales cuando se utilizan plásticos en un diseño para un entorno criogénico que está sujeto a una gran cantidad de presión o impacto.

Propiedades térmicas

Es importante considerar el alto CTE o coeficiente de expansión térmica de los plásticos al diseñar componentes plásticos para una aplicación criogénica. Básicamente, los plásticos tienden a encogerse más que otros materiales cuando se enfrían y a expandirse más cuando se calientan. Por ejemplo, cuando los materiales se enfrían desde la temperatura ambiente a casi 0 ° K, el PTFE se contrae un 2,2% mientras que el aluminio se contrae menos del 0,5%. Esta contracción puede causar problemas reales en aplicaciones donde los componentes de metal y plástico deben permanecer en estrecho contacto. Hechtel también señala que se pueden utilizar fibras de carbono y vidrio para mitigar este problema de contracción.

Fricción y desgaste

El procesamiento o endurecimiento criogénico se ha utilizado desde la década de 1960 para aumentar la resistencia al desgaste del acero. Los mismos principios básicos se aplican también a los plásticos. En términos generales, cuanto más duro es el material, menor es la fricción y el desgaste. Hechtel usa el ejemplo de un calzado deportivo versus un zapato de vestir:el calzado deportivo tiene una suela más suave y crea más fricción contra el suelo. Los plásticos se vuelven más duros a medida que bajan las temperaturas y, por lo tanto, exhiben menos fricción. Los cojinetes de plástico, por ejemplo, tienen la ventaja adicional de mostrar una buena resistencia al desgaste incluso sin lubricación. Esta propiedad es especialmente importante en temperaturas criogénicas. Muchos aceites y otros lubricantes pueden funcionar con menos eficacia a estas temperaturas tan bajas.