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ESTUDIO DE LA RESPUESTA TÉRMICA DE POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS PVC
ESPUMADO Y PMMA EN SITUACIONES DE INCENDIO.
ANÁLISIS DE PROPIEDADES MECÁNICAS Y CARACTERIZACIÓN POR
COMBUSTIÓN
ALEJANDRO CASTELLANOS VARGAS
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química
Bogotá D.C., Colombia
2014
2
ESTUDIO DE LA RESPUESTA TÉRMICA DE POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS PVC
ESPUMADO Y PMMA EN SITUACIONES DE INCENDIO.
ANÁLISIS DE PROPIEDADES MECÁNICAS Y CARACTERIZACIÓN POR
COMBUSTIÓN
ALEJANDRO CASTELLANOS VARGAS
Proyecto de grado para optar por el título de ingeniero químico
Asesor:
FELIPE MUÑOZ GIRALDO, PhD
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química
Bogotá D.C., Colombia
2014
3
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar quiero agradecer al profesor Felipe Muñoz Giraldo cuyos consejos,
ideas, apoyo y motivación permitieron la satisfactoria realización de este proyecto,
logrando llevar este estudio más allá de lo que se tenía planteado inicialmente.
Para el desarrollo y la culminación de este proyecto fue necesario el aporte y la ayuda
de muchas personas entre las que se encuentran Carolina Triviño, Ana María Patiño,
Daniela Barros, William Rivera, Jesús Pérez y el profesor Watson Vargas, a todos
ellos muchas gracias por su colaboración en las diferentes etapas del proyecto.
También quiero agradecer a Linda Paola Roldan por su paciencia, compañía y
motivación que me brindo no solo durante la realización de este proyecto sino en el
transcurso de toda mi carrera.
Finalmente, quiero agradecer a mis padres, a mi hermana, familiares y amigos que me
apoyaron, me fortalecieron y que de una u otra forma me ayudaron durante el
desarrollo de este proyecto y de esta forma para poder culminar satisfactoriamente
este trabajo.
4
TABLA DE CONTENIDO
INDICE DE FIGURAS .................................................................................................. 6
ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................... 9
NOMENCLATURA ......................................................................................................10
RESUMEN ..................................................................................................................12
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................13
1. OBJETIVOS .........................................................................................................15
1.1. OBJETIVO GENERAL ..................................................................................15
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................15
2. POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS ......................................................................16
2.1. PVC ESPUMADO Y PMMA ..........................................................................17
2.1.1. Propiedades mecánicas .........................................................................19
2.1.2. Aplicaciones arquitectónicas, decorativas y/o estructurales ...................22
3. INCENDIOS .........................................................................................................24
3.1. CONCEPTOS BÁSICOS ...............................................................................25
3.2. INCENDIOS ESTRUCTURALES ..................................................................28
3.2.1. Panorama internacional .........................................................................28
3.2.2. Panorama nacional ................................................................................30
4. INTRODUCCIÓN A LA CLASIFICACIÓN DE MATERIALES PARA SITUACIONES
DE INCENDIOS EN APLICACIONES ESTRUCTURALES ..........................................31
4.1. PANORAMA MUNDIAL .................................................................................31
4.2. PANORAMA NACIONAL ..............................................................................34
5. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES ..............................................................37
5.1. CARACTERIZACIÓN QUÍMICA ....................................................................38
5.1.1. Espectroscopia Infrarroja ...........................................................................39
5.1.1.1. Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR) ..............40
5.2. CARACTERIZACIÓN DE POLÍMEROS POR COMBUSTIÓN .......................42
5.2.1. Caracterización cualitativa .....................................................................42
5.2.2. Caracterización cuantitativa ...................................................................44
5.3. RESPUESTA MECÁNICA DE LOS POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS A
ALTAS TEMPERATURA .........................................................................................44
5.4. PRUEBAS PARA LA CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE POLÍMEROS .....46
5.4.1. Pruebas ASTM .......................................................................................47
5.4.1.1. Norma ASTM D635-10 ....................................................................47
5
5.4.1.2. Norma ASTM D3801-10 ..................................................................49
5.4.1.3. Datos cuantitativos y cualitativos de combustión .............................51
5.4.2. Calorimetría Diferencias del Barrido (DSC) ............................................51
5.4.2.1. Factores de influencia .....................................................................54
5.4.2.2. Transiciones de temperatura ...........................................................57
5.4.3. Densidad de humo .................................................................................60
5.4.4. Análisis térmico infrarrojo .......................................................................62
5.4.5. Análisis Dinámico-Mecánico (DMA) .......................................................63
5.4.5.1. Factores de influencia .....................................................................66
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................69
6.1. CARACTERIZACIÓN QUÍMICA ....................................................................69
6.2. CARACTERIZACIÓN POR COMBUSTIÓN ..................................................71
6.3. CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC) .................................75
6.4. DENSIDAD DE HUMO ..................................................................................77
6.5. ANÁLISIS TÉRMICO INFRARROJO .............................................................80
6.6. ANÁLISIS DINÁMICO-MECÁNICO (DMA) ....................................................83
7. CONCLUSIONES ................................................................................................86
REFERENCIAS ...........................................................................................................87
6
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Representación esquemática de un polímero .................................................... 16
Figura 2. Reacción de polimerización del monómero de cloruro de vinilo para producir
PVC. ........................................................................................................................................... 17
Figura 3. Micrografía electrónica de barrido de la sección transversal de una espuma
rígida de PVC ............................................................................................................................ 18
Figura 4. Reacción de polimerización del monómero de metil-metacrilato para producir
PMMA......................................................................................................................................... 18
Figura 5. Curva esfuerzo vs deformación para el PVC y el Poliestireno a temperatura
ambiente. ................................................................................................................................... 19
Figura 6. Curva esfuerzo vs deformación del PVC espumado a temperatura ambiente
..................................................................................................................................................... 20
Figura 7. Valores de los módulos de elasticidad de espumas de PVC con diferentes
tamaños medios de celdas a temperatura ambiente. ......................................................... 21
Figura 8. Valores de los esfuerzos de fluencia de espumas de PVC con diferentes
tamaños medios de celdas a temperatura ambiente. ......................................................... 22
Figura 9. Aplicaciones del PVC espumado en publicidad y stands de exposición ........ 22
Figura 10. Aplicaciones del PMMA en publicidad y marquesinas .................................... 23
Figura 11. Cantidad total de incendios a nivel mundial periodo 2000-2004 .................. 24
Figura 12. Cantidad total de muertos por incendios a nivel mundial periodo 2000-2004
..................................................................................................................................................... 25
Figura 13. Triangulo del fuego ............................................................................................... 26
Figura 14. Tetraedro del fuego ............................................................................................... 27
Figura 15. Proceso de pirólisis de un material combustible .............................................. 27
Figura 16. Distribución porcentual de los tipos de incendios reportados a nivel mundial
para el año 2004 (Incendios totales: 3’302,055) ................................................................. 29
Figura 17. Cantidad de incendios de tipo estructural por país para el año 2004 ........... 29
Figura 18. Tasa de muertos en incendios estructurales por cada millón de habitantes
por país para el año 2007 ....................................................................................................... 30
Figura 19. Algoritmo para el desarrollo de la caracterización de materiales .................. 38
Figura 20. Bandas de absorción infrarroja para diferentes enlaces de polímeros......... 40
Figura 21. Curva esfuerzo vs deformación del PMMA a diferentes temperaturas. ...... 45
7
Figura 22. Efecto de la temperatura en el esfuerzo de fluencia para algunos
termoplásticos. .......................................................................................................................... 46
Figura 23. Montaje experimental norma ASTM D635-10. ................................................. 48
Figura 24. Soporte para prueba estándar ASTM D635-10 ................................................ 49
Figura 25. Montaje experimental norma ASTM D3801-10 ................................................ 50
Figura 26. Diagrama esquemático de una curva DSC para las posibles transiciones de
un polímero................................................................................................................................ 52
Figura 27. Esquema del DSC por flux de calor ................................................................... 53
Figura 28. Esquema del DSC por compensación de energía ........................................... 54
Figura 29. Contenedor de cierre hermético para pruebas DSC ....................................... 55
Figura 30. Ruido de la línea base para el Indio en una prueba DSC .............................. 56
Figura 31. Curvas DSC del poliestireno con tasas de calentamiento de 0.1, 1 y 10
ºC/min ......................................................................................................................................... 57
Figura 32. Determinación de la temperatura de transición vítrea con base en el
estándar ISO 11357-1 ............................................................................................................. 58
Figura 33. Determinación de la temperatura de fusión con base en el estándar ISO
11357 ......................................................................................................................................... 59
Figura 34. Escala de grises .................................................................................................... 60
Figura 35. Esquema de captura de imagen ......................................................................... 61
Figura 36. Imagen en infrarrojo de un a flama obtenida con una cámara térmica ........ 62
Figura 37. Cámara thermoIMAGER TIM .............................................................................. 63
Figura 38. Oscilación sinusoidal y respuesta de un material visco-elástico ................... 64
Figura 39. Oscilación sinusoidal y respuesta de un material puramente elástico ......... 64
Figura 40. Diagrama esquemático de una curva DMA para un polímero ....................... 66
Figura 41. Sistema de sujeción para pruebas DMA. De izquierda a derecha: tensión,
compresión, cortante, flexión voladizo, flexión de 3 puntos .............................................. 67
Figura 42. Efecto del cambio de frecuencia en las curvas DMA ...................................... 68
Figura 43. Espectro infrarrojo ................................................................................................. 69
Figura 44. Combustión del PMMA ......................................................................................... 71
Figura 45. Extinción de la combustión del PVC espumado luego de retirar el mechero
..................................................................................................................................................... 71
Figura 46. Combustión debido a goteo de PMMA ............................................................ 74
Figura 47. Curvas DSC ........................................................................................................... 76
Figura 48. Producción de humo de la reacción de combustión ........................................ 77
8
Figura 49. Grado de opacidad en función del tiempo para el PMMA y el PVC
espumado .................................................................................................................................. 78
Figura 50. Grado de opacidad en función del tiempo en diferentes alturas ................... 78
Figura 51. Termografías infrarrojas de la combustión ........................................................ 81
Figura 52. Perfiles de temperatura por medición infrarroja ............................................... 81
Figura 53. Imagen infrarroja del fenómeno del goteo durante la combustión del PMMA
..................................................................................................................................................... 82
Figura 54. Curvas DMA para el PMMA ................................................................................. 83
Figura 55. Curvas DMA para el PVC espumado ................................................................. 84
9
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tamaño medio de celda para espumas de PVC ............................................20
Tabla 2. Datos de esfuerzo de fluencia, esfuerzo último y módulo de elasticidad para
diferentes materiales a temperatura ambiente .............................................................21
Tabla 3. Clasificación de las estructuras según la NFPA .............................................28
Tabla 4. Clasificación de materiales según el código NFPA 255 .................................32
Tabla 5. Restricción de materiales para acabados de interiores por ocupación según la
norma NFPA 101 ........................................................................................................32
Tabla 6. Clasificación de materiales según la norma ISO 9705, aproximación
Sundstrom y Goransson ..............................................................................................33
Tabla 7. Clasificación de materiales según la norma ISO 9705, aproximación de
Gardner y Thomson ....................................................................................................33
Tabla 8. Clasificación de materiales del reglamento NSR-10 según la norma NTC 1691
....................................................................................................................................35
Tabla 9. Resistencia requerida al fuego en horas para elementos de construcción
según la norma NTC 1480 ..........................................................................................35
Tabla 10. Vibraciones moleculares en polímeros ........................................................41
Tabla 11. Ejemplos de polímeros y niveles para parámetros de análisis cualitativos de
polímeros por combustión ...........................................................................................43
Tabla 12. Dimensiones de de las probetas para el DMA por tipo de carga ..................67
Tabla 13. Frecuencias y asignación para el espectro infrarrojo del PMMA ..................70
Tabla 14. Frecuencias y asignación para el espectro infrarrojo del PVC espumado ....70
Tabla 15. Resultados cualitativos de la combustión del PMMA y el PVC espumado ...72
Tabla 16. Energía de enlaces del monómero de PMMA ..............................................72
Tabla 17. Energía de enlaces del monómero de PVC .................................................73
Tabla 18. Tiempo de inicio de goteo en pruebas de combustión de PMMA .................74
Tabla 19. Tasa de goteo en pruebas de combustión de PMMA...................................74
10
NOMENCLATURA
Abreviaturas
ASTM: Asociación Americana para Pruebas y Materiales (American Society for Testing
and Materials)
DMA: Análisis Dinámico-Mecánico (Dynamic Mechanical Analysis)
DSC: Calorimetría Diferencial de Barrido (Differential Scanning Calorimetry)
CTIF: Comité Técnico Internacional para la Prevención y Extinción de Incendios
(Comité Technique International de prévention et d’extinction du Feu)
ISO: Organización Internacional para la Estandarización (International Organization for
Standardization)
NFPA: Asociación Nacional de Protección Contra Incendios (National Fire Protection
Association)
NSR: Normatividad Sismo Resistente Colombiana
NTC: Normatividad Técnica Colombiana
PMMA: Polimetilmetacrilato (Poly (methyl methacrylate))
PVC: Policloruro de vinilo (Polyvinyl chloride)
Lista de variables
𝛼: Difusividad térmica [m2/s]
𝐶𝑝 : Capacidad calorífica [J/(kg ºC)], [J/(kg K)]
∆𝐻: Cambio de entalpía [J]
∆𝑇𝐷𝑆𝐶 : Diferencia de temperaturas en la prueba DSC [ºC]
𝛿: Ángulo de fase [rad]
𝐸∗: Módulo complejo [MPa], [ksi]
𝐸′: Módulo almacenado [MPa], [ksi]
𝐸′′: Módulo perdido [MPa], [ksi]
휀𝐴: Amplitud de la deformación [mm/mm], [in/in]
𝑓: Factor de perdida [-]
11
𝐹𝑆𝐼: Índice de difusión de llama [-]
𝑘: Conductividad térmica [W/(m K)]
𝐿100 : Extensión de la combustión con respecto a la marca de 100 mm [mm]
𝐿𝐶: Extensión de combustión [mm]
𝑂: Grado de opacidad [%]
𝜔: Frecuencia de oscilación [Hrz]
𝑄 : Flux de calor [W]
𝑅: Resistencia térmica del sistema DSC [ºC/W]
𝜌: Densidad [kg/m3]
𝜎𝐴: Amplitud del esfuerzo [MPa], [psi]
𝑇: Temperatura [ºC], [K]
𝑡𝐶: Tiempo de combustión [s]
𝑇𝑔: Temperatura de transición vítrea [ºC]
𝑇𝑅: Temperatura del material de referencia [ºC]
𝑇𝑆: Temperatura del material de interés [ºC]
𝑉𝐶: Velocidad lineal de combustión [mm/min]
𝑣: Valor en escala de grises del pixel [-]
12
RESUMEN
En el 2012 se reportaron 3.5 millones de incendios alrededor del mundo, de los cuales
el 34% correspondía a incendios estructurales, este tipo de emergencias es la más
común en situaciones relacionadas con fuego. Por este motivo, resulta necesario
estudiar los factores que sean determinantes en el desarrollo de este tipo de
incendios. Entre los muchos factores que se han estudiado en esta clase de
escenarios, los materiales presentan una perspectiva de mucho interés debido a su
influencia en la dinámica y difusión de las llamas. Con base en lo anterior, este trabajo
se orienta al estudio de la respuesta térmica y mecánica de materiales poliméricos,
específicamente policloruro de vinilo espumado (PVC) y polimetilmetacrilato (PMMA),
debido a su gran uso en elementos estructurales, decorativos y arquitectónicos. Para
el desarrollo de este estudio se emplearon pruebas de caracterización por combustión
y análisis de propiedades mecánicas a diferentes temperaturas.
Con lo anterior se encontró que el PVC espumado tiene un tiempo de inicio de
combustión 7.5 veces mayor que el PMMA, esto en relación a la energía de enlace en
las cadenas del polímero y la concentración de plastificante en el caso de PVC. Por
otro lado, se observaron fenómenos de goteo en el PMMA, lo que representaba un
riesgo adicional debido al flujo de material caliente; mientras en el PVC espumado se
evidenció procesos de carbonización en la superficie del material, lo que representaba
una reducción en su resistencia estructural y aumentaba la densidad de humo de los
gases de combustión.
Finalmente, se logró observar la respuesta mecánica de estos materiales a altas
temperaturas, y a partir de esta información relacionar esta respuesta con el
ordenamiento de las cadenas poliméricas de los materiales y su comportamiento frágil
ó dúctil a temperatura ambiente.
13
INTRODUCCIÓN
El Policloruro de vinilo o PVC espumado y el Polimetilmetacrilato o PMMA son
polímeros termoplásticos sintéticos usados hoy en día en diversos productos
arquitectónicos, decorativos y estructurales, esto se encuentra asociado
principalmente a su fácil maquinabilidad, a los diferentes procesos de termoformado
que permiten obtener una alta versatilidad en las geometrías de los productos, la
capacidad aislante térmica y eléctrica de los materiales, las propiedades de
transparencia (en el caso del PMMA) y el comportamiento dúctil de estos polímeros.
No obstante, debido a su naturaleza orgánica y petroquímica, los polímeros
termoplásticos presentan un comportamiento combustible, este comportamiento se
origina cuando el polímero es sometido a temperaturas relativamente altas y se
generan los procesos de pirolisis o gasificación del material. Cuando los productos de
estas reacciones forman una mezcla combustible con el aire se pude dar una ignición,
la cual se pude generar por la presencia de llamas, una chispa eléctrica o alguna otra
fuente de calor. Por otro lado, también se pueden presentar procesos de combustión
del material sólido debido a la reacción entre el polímero gasificado y el oxígeno del
aire sobre la superficie del material, esto en presencia de una fuente de calor.
En un incendio, la presencia de PVC espumado o PMMA puede afectar las
dinámicas del fuego, acelerando o retardando el avance del mismo. Las
características que pueden determinar el rol de un material polimérico en una
emergencia asociada a un incendio son la velocidad, la extensión, el tiempo y el tipo
de combustión. Las tres primeras características se relacionan principalmente a la
resistencia del material y a la difusión del fuego debido a la combustión del
polímero. Por otro lado, el tipo de combustión se asocia a la respuesta del material
y cómo la forma en que se lleve a cabo la reacción de combustión puede afectar las
dinámicas del incendio. Adicionalmente, muchos de los polímeros termoplásticos
producen vapores de combustión que pueden ser perjudiciales para la salud o pueden
entorpecer los procesos de rescate y evacuación desarrollados en una situación de
incendio; por lo tanto en necesario determinar las características y disposiciones
necesarias al momento de la selección de un material de acuerdo a las condiciones
presentes en el sitio donde se va a usar o implementar este tipo de materiales.
Por otro lado, el PVC espumado y el PMMA debido a su naturaleza termoplástica
varían sus propiedades mecánicas con el cambio de la temperatura; en el caso de un
incendio las llamas pueden llegar a muy altas temperaturas resultando en un
condicionamiento más dúctil de estos polímeros, lo que genera como consecuencia
la perdidas de sus propiedades mecánicas en la respuesta a esfuerzos normales
y de corte. Esto pude afectar significativamente la estabilidad de la estructura donde
se estén usando estos materiales, comprometiendo la seguridad de las personas que
se encuentren cerca.
14
Con base en lo anterior, productos de PVC espumado o PMMA pueden ser elementos
determinantes en el desarrollo de un incendio, por lo que una correcta caracterización
de combustión de estos materiales permitiría definir las restricciones de uso de ciertos
polímeros de acuerdo a las condiciones y/o características de un lugar. No obstante,
aunque en Colombia existen normativas que definen ciertas condiciones de uso de
materiales, estas condiciones solo categorizan de manera general el uso de polímeros
en construcción, lo cual no permite hacer una correcta selección del material a usar.
Teniendo en cuenta esto, resulta relevante la definición y el establecimiento de
pruebas de combustión para materiales poliméricos, las cuales permitan establecer el
riesgo asociado al uso de estos en lugares determinados, esto con base en las
propiedades de combustión e ignición de materiales termoplásticos mencionadas
previamente. Adicionalmente, es pertinente estudiar el comportamiento y la respuesta
mecánica del PVC espumado y el PMMA al ser sometidos a altas temperaturas y
determinar las posibles afectaciones que pude conllevar el cambio de las propiedades
mecánica de estos polímeros con el aumento de temperatura en las estructuras donde
se empleen estos materiales.
15
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL
Desarrollar una caracterización térmica de los polímeros termoplásticos PVC
espumado y PMMA a partir de su respuesta mecánica a altas temperaturas y su
comportamiento en pruebas de combustión, con el fin de evaluar el rol y riesgo
asociado a la presencia de estos materiales en una situación de incendio.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar la velocidad, la extensión y el tiempo de combustión asociados a
los polímeros PVC espumado y PMMA.
Estudiar la respuesta de un material termoplástico a un proceso de combustión
analizando su comportamiento al ser expuesto a una fuente de calor.
Comparar la resistencia y la respuesta de los polímeros termoplásticos PVC
espumado y PMMA a partir de la información obtenida en pruebas de
combustión.
Establecer el cambio en las propiedades mecánicas asociadas a la respuesta a
esfuerzos de tensión y de flexión del PVC espumado y el PMMA sometidos a
altas temperaturas.
16
2. POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS
Los polímeros son macromoléculas de tipo orgánico constituidas por pequeñas
unidades químicas simples denominadas monómeros. En el caso de los polímeros
sintéticos, debido a la naturaleza petroquímica de la mayoría de monómeros, éstos se
encuentran compuestos principalmente por carbono e hidrogeno, lo cual clasifica a
estos polímeros dentro de la familia de los hidrocarburos. La unión repetitiva de
monómeros genera cadenas de polímeros, las cuales varían su longitud dependiendo
de las condiciones de la reacción de polimerización o las especificaciones deseadas
para el producto [1], en la Figura 1 se observa la representación de un polímero.
Figura 1. Representación esquemática de un polímero
[2]
Los polímeros sintéticos pueden ser clasificados en dos grandes grupos: los plásticos
y los cauchos. La principal diferencia entre estos grupos es la respuesta mecánica a
esfuerzos externos; por un lado, los cauchos presentan un comportamiento elástico, lo
que representan deformaciones mínimas frente a la acción de fuerzas externas; por
otro lado, los plásticos como su nombre lo indica tienen un comportamiento plástico,
esto quiere decir que presenta deformaciones permanentes frente a la acción de
fuerzas mecánicas aplicadas sobre éstos. Lo anterior se relaciona con la estructura
molecular de cada grupo, en el caso de los plásticos las cadenas de polímeros se
caracterizan por ser lineales o tener algunas ramificaciones, mientras que los cauchos
presentan estructuras tridimensionales reticuladas o interconectadas lo que les brinda
mayor elasticidad [3].
En el grupo de los plásticos existe una familia denominada termoplásticos, los cuales
se caracterizan por tener la capacidad de cambiar su forma mediante procesos de
maquinado, calor o presión [3]. Estos procesos son totalmente reversibles y pueden
repetirse varias veces, siempre y cuando no se trabaje a condiciones en las cuales los
polímeros presentan degradación irreversible, es decir que la temperatura del
17
termoplástico fundido no se eleve al punto en que las vibraciones moleculares sean
tan violentas que puedan romper los enlaces covalentes de las cadena poliméricas. La
mayoría de polímeros lineales y los que tienen estructuras ramificadas con cadenas
flexibles son termoplásticos. De manera general, los termoplásticos son relativamente
blandos y dúctiles [4].
2.1. PVC ESPUMADO Y PMMA
El PVC es un polímero con base en el monómero cloruro de vinilo el cual es
polimerizado principalmente por el método de radicales libres, en la Figura 2 se
muestra la reacción de polimerización del monómero. La longitud de la cadena del
PVC varía desde 625 hasta 2700 monómeros dependiendo de la aplicación para la
cual se produce el polímero [5].
Figura 2. Reacción de polimerización del monómero de cloruro de vinilo para producir
PVC.
Adaptado de [5]
Los principales procesos de conformado del PVC son la extrusión, el calendrado y el
moldeo por inyección; aunque en fase viscoelástica también se presentan procesos de
conformado tales como el rotomoldeo [3]. Adicionalmente, también existen procesos
que permiten generar cambios macroestructurales en el PVC con lo que se logra
obtener espumas rígidas o flexibles de este polímero, como se observa en la Figura 3;
la principal diferencia con respecto al PVC convencional es que las espumas
presentan una expansión de la matriz polimérica generando así un aumento en el
volumen y en el mismo sentido la reducción proporcional de la densidad del polímero;
además de un ordenamiento parcial de las cadenas poliméricas lo que reduce el grado
de transparencia del material. Las espumas de PVC se obtienen mediante procesos
de inyección de aire o soplado y el uso de energía térmica para aumentar el volumen
de la matriz polimérica y favorecer la plastificación del PVC. La rigidez y la densidad
de las espumas de las espumas de PVC depende principalmente de las condiciones
en las que se lleve a cabo el proceso de espumado [6]. Para efectos de este trabajo la
única espuma de PVC de la que se hablará y con la que se trabajará será la rígida.
18
Figura 3. Micrografía electrónica de barrido de la sección transversal de una espuma
rígida de PVC
[6]
Por otro lado, el PMMA también conocido comercialmente como acrílico es un
polímero constituido por el monómero metil-metacrilato. Este polímero al igual que el
PVC se puede obtener principalmente a través de la polimerización por radicales libres
de su monómero [3], en la siguientes figura se muestra la reacción de polimerización.
Figura 4. Reacción de polimerización del monómero de metil-metacrilato para producir
PMMA.
Adaptado de [7]
El PMMA es el más transparente de los plásticos llegando a un grado de 93% de
transparencia. Este polímero es manejado en forma de pellets o láminas, esto indica
que para su conformado se emplean procesos de inyección, extrusión, termoformado y
mecanizado. El PMMA también es utilizado en su estado viscoelástico para la
producción de piezas o elementos con un alto grado de detalle [3].
Una de las principales características del PMMA es su fácil pigmentación, esto debido
a su transparencia inherente; adicionalmente, debido a su buena resistencia a la
19
intemperie la pigmentación se conserva por más tiempo; es por esta razón que
muchos de los productos acrílicos presentan diversos colores y son destinados
muchas veces para usos en exteriores[3].
2.1.1. Propiedades mecánicas
El PMMA es un polímero termoplástico con un comportamiento frágil a temperatura
ambiente, mientras que el PVC espumado es un material altamente dúctil en
condiciones ambiente; sin embargo, debido a la naturaleza plástica de estos
polímeros, su tenacidad es muy baja en comparación a otros materiales como por
ejemplo los metales. Lo anterior se encuentra asociado a su baja resistencia a la
cedencia y en el mismo sentido a su bajo módulo de elasticidad [2]. A continuación se
presenta una curva esfuerzo-deformación típica para los polímeros PVC y poliestireno.
Figura 5. Curva esfuerzo vs deformación para el PVC y el Poliestireno a temperatura
ambiente.
A) Región elástica. B) Esfuerzo de fluencia. C) Región plástica estable. D) Esfuerzo
último. E) Región plástica inestable. F) Esfuerzo de ruptura. Adaptado de [2]
En la figura anterior en el caso del PVC, se puede observar al igual que en la mayoría
de materiales, la curva esfuerzo deformación presenta tres zonas características: La
primera se asocia a la línea recta inicial la cual representa el comportamiento elástico
del material, este comportamiento se caracteriza por no presentar deformaciones
permanentes; este tramo se encuentra limitado por el esfuerzo de fluencia, el cual
indica la transición entre la respuesta elástica y plástica del material. Posteriormente
se presenta la región plástica estable, en dicha zona la deformación del material es
permanente; sin embargo, esta deformación puede ser estimada a partir del uso de
una línea recta con la misma pendiente de la región elástica. Por último se presenta la
20
región plástica inestable, en la cual las deformaciones presentes en el material no
pueden ser calculadas, por lo que el cambio de longitud del elemento o su reducción
de área son inciertos; en termino de aplicaciones estructurales, esta última zona debe
ser evitada dado que al presentarse un comportamiento plástico inestable la integridad
de la estructura puede verse comprometida. La transición entre la región plástica
estable e inestable se denomina esfuerzo último y se caracteriza por la aparición de un
cuello de botella en la probetas de las pruebas estándar [2].
Aunque en la Figura 5 se muestra la curva esfuerzo-deformación para el PVC, éste
cambia sus propiedades mecánicas al ser sometido a un proceso de inyección de aire
o de espumado [8]. En la Figura 6 se pueden ver la curva de esfuerzo-deformación
para espumas de PVC con diferentes tamaños medios de poro o celda.
Figura 6. Curva esfuerzo vs deformación del PVC espumado a temperatura ambiente
[8]
Como se puede ver en la figura anterior, el tamaño medio del poro o la celda influyen
significativamente en el comportamiento mecánico del material. Aunque se conserva el
comportamiento dúctil del PVC, su transición de la región elástica a la plástica difiere
para cada uno de las espumas de PVC presentadas. A continuación, se presentan el
tamaño medio de celda asociado a cada una de las espumas.
Tabla 1. Tamaño medio de celda para espumas de PVC
[8]
Espuma de PVC Tamaño medio de celda [µm]
HP250 300
HP200 264
HP100 388
HP60 441
21
En la Tabla 2 presentan los valores para el esfuerzo de fluencia y el módulo de
elasticidad para el PMMA, adicionalmente se presentan los valores de estas
propiedades para otros materiales con el fin de tener datos comparativos. Los valores
del esfuerzo de fluencia y el módulo de elasticidad del PVC espumado se presentan a
parte, dado que como se menciono anteriormente, estas propiedades dependen del
tamaño medio de la celda de la espuma. Adicionalmente, en las Figuras 7 y 8 los
valores de los módulos de elasticidad y esfuerzos de fluencia para los diferentes
tamaños de poro del PVC espumado.
Tabla 2. Datos de esfuerzo de fluencia, esfuerzo último y módulo de elasticidad para
diferentes materiales a temperatura ambiente
[2]
Material Esfuerzo de
fluencia [MPa]
Esfuerzo
último [MPa]
Módulo de
elasticidad [GPa]
PMMA 69 71 2.9
PVC 38 47 3.1
Polipropileno 28 50 2.25
Aluminio 6061 55 124 69
Acero 1020 350 420 205
Acero inoxidable 316 290 580 193
Óxido de aluminio 300 NR 370
Vidrio 69 NR 68
Fibra de vidrio E
genérica 3448 NR 72
Madera de roble
blanco 6 NR 12.6
NR: No se reportan datos de esta propiedad para el material.
Figura 7. Valores de los módulos de elasticidad de espumas de PVC con diferentes
tamaños medios de celdas a temperatura ambiente.
Adaptado de [8]
22
Figura 8. Valores de los esfuerzos de fluencia de espumas de PVC con diferentes
tamaños medios de celdas a temperatura ambiente.
Adaptado de [8]
2.1.2. Aplicaciones arquitectónicas, decorativas y/o estructurales
Debido a su alta rigidez, ligereza y facilidad de conformado el PVC espumado es
usado como material para:
Stands
Exhibidores
Señalización
Letreros de publicidad
Carcasas
Marcos de puertas y ventanas
Cubierta de pisos y paredes
Figura 9. Aplicaciones del PVC espumado en publicidad y stands de exposición
[9], [10]
23
Por otro lado, el PMMA gracias a su alto grado de transparencia, facilidad de pintado y
de conformado, es usado como material para las siguientes aplicaciones:
Ventanas
Difusores de luz
Claraboyas
Bañeras
Protección y cerramiento de balcones
Mamparas
Anuncios publicitarios
Elementos de señalización
Marquesinas
Figura 10. Aplicaciones del PMMA en publicidad y marquesinas
[11], [12]
24
3. INCENDIOS
Un incendio se define como la combustión y abrasamiento con llama, capaz de
difundirse en estructuras u objetos, los cuales no estaban destinados a ser quemados.
En términos técnicos, un incendio es la reacción de un material combustible y un
compuesto oxidante (típicamente el oxígeno) en presencia de una fuente de ignición
que le suministre la energía de activación necesaria para que se lleve a cabo la
combustión del material [13].
En definitiva, un incendio es una ocurrencia de fuego no controlada que puede abrasar
algo que no estaba destinado a quemarse. Esto implica que este tipo de emergencia
puede afectar estructuras, objetos y seres vivos. Como consecuencia a la exposición a
un incendio existe la posibilidad de sufrir heridas leves o graves e inclusive la muerte;
estas situaciones se pueden dar por la inhalación de humo tóxico producto de las
reacciones de combustión asociadas al incendio, además de quemaduras por las
llamas o superficies calientes. Finalmente, también se consideran como
consecuencias las perdidas por daños materiales y los costos por reparación [13].
La cantidad de incendios a nivel mundial ha presentado variaciones en los últimos
años; no obstante, estas variaciones no han desarrollado un patrón regular. En el
mismo sentido la cantidad de muertes por incendios ha presentado diversas
variaciones en la última década. El CTIF en su reporte realizado en el 2006, presenta
un análisis estadístico comparativo de la cantidad de incendios, muertes y causas por
países, y los cambios de estos indicadores a lo largo de los años. Para el periodo
2000-2004 se reportó un promedio anual de 3.48 millones de incendios a nivel
mundial, esto asociado a una saldo promedio de 32886 muertes al año. Para el 2012
se reportaron más de 3.5 millones de incendios alrededor del mundo asociados a un
saldo superior a 30 mil muertes [14]
Figura 11. Cantidad total de incendios a nivel mundial periodo 2000-2004
Adaptado de [14]
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Nú
me
ro d
e in
cen
dio
s (e
n m
illo
ne
s)
Año
25
Figura 12. Cantidad total de muertos por incendios a nivel mundial periodo 2000-2004
Adaptado de [14]
3.1. CONCEPTOS BÁSICOS
A continuación se presentan los principales conceptos asociados al tema de incendios.
Combustión: Es una reacción irreversible en la cual una sustancia se oxida
rápidamente, esta reacción viene acompañada una rápida liberación de
energía. En términos de incendios, la combustión es una combinación
química rápida de una o más sustancias con el oxígeno, lo cual produce
calor y luz. Existen principalmente dos tipos de combustión, llameante
(incendio espacial) y latente (incendio de superficie).
Triángulo del fuego: Para que se lleve a cabo la reacción de combustión es
necesario la presencia de tres componentes: Combustible, comburente u
oxidante y la energía de activación asociada a una fuente de ignición [13].
Estos tres componentes representan un sistema de reacción cerrado, es
decir que la ausencia de uno o más de estos componentes impide que la
reacción se lleve a cabo. Comúnmente, el sistema cerrado de estos tres
componentes se asocian a un triángulo, el cual se denomina como triángulo
de fuego [3], como se observa en la siguiente figura.
25
27
29
31
33
35
37
39
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Nú
me
ro d
e m
ue
rte
s p
or
ince
nd
ios
(en
mile
s)
Año
26
Figura 13. Triangulo del fuego
[13]
Combustible: Cualquier sustancia capaz de reaccionar de forma rápida con
algún compuesto oxidante, en otras palabras un combustible es toda
sustancia que se pueda quemar o arder[13].
Comburente: Cualquier mezcla de gases o sustancia pura que contenga un
oxidante que permita que se lleve a cabo la combustión. Típicamente, el aire
actúa como comburente en la mayoría de incendios, dado que contiene 21%
de oxígeno [13].
Energía de activación: Es la energía necesaria para que se lleve a cabo la
reacción de combustión. Esta energía se traduce en calor proveniente de
fuente de ignición, ya sea química, mecánica o eléctrica; a manera de
ejemplo esta la llama de una vela, una chispa de un corto circuito y la
superficie caliente de una caldera [13].
Tetraedro de fuego: Este concepto parte de la idea del triangulo de fuego;
sin embargo, en el tetraedro de fuego se tiene en cuenta las reacciones en
cadena, las cuales se definen como las reacciones que usan la energía
liberada por combustiones previas para mantener el proceso de consumo de
combustible y propagación del fuego [3], a continuación se muestra la
representación del tetraedro de fuego.
27
Figura 14. Tetraedro del fuego
[13]
Pirólisis: También conocida como gasificación del material, es un proceso en
el cual el calor que se le suministra a un material rompe los enlaces
moleculares generando gases, estos al entrar en contacto con el aire forman
una mezcla combustible, como se observa en la Figura 15; la cual al estar
cerca de una fuente de ignición produce la reacción de combustión.
Figura 15. Proceso de pirólisis de un material combustible
[15]
Flashover: En español combustión súbita generalizada, es el momento en el
cual todas las superficies y materiales combustibles que hasta el momento
no estaban implicadas en el incendio, empiezan a arder producto de la
radiación proveniente de la zona donde se origina el incendio y del calor
asociado a los gases de combustión. Como principal condición para que se
de este fenómeno es que el lugar donde se da el incendio sea un sitio
cerrado, esto minimiza las pérdidas de calor de las llamas y de los gases de
28
combustión. Adicionalmente, se debe contar con una buena ventilación, lo
que garantiza un suministro constante de oxígeno para la reacción [13].
3.2. INCENDIOS ESTRUCTURALES
Este tipo de incendios está asociado a edificaciones o sistemas estructurales, en los
cuales la integridad de la planta física se ve comprometida. Este tipo de incendios
puede afectar sistemas eléctricos y de telecomunicación, sistemas de drenaje,
ventanas, la resistencia estructural de paredes y techos, etc.
Según la NFPA las estructuras se pueden clasificar en cinco tipos como se muestra a
continuación:
Tabla 3. Clasificación de las estructuras según la NFPA
[16]
Tipo Característica Ejemplo
I Resistente al fuego Rascacielos, edificios de negocios
II Incombustible Centros comerciales, cafeterías
III Construcción ordinaria Residencias urbanas
IV Madera pesada Iglesias
V Cerchas de madera Residencias en suburbios.
La anterior clasificación va acompañada de un número arábigo de tres dígitos. El
primer dígito indica la resistencia al fuego de las estructuras exteriores; el segundo
dígito representa la resistencia de las columnas, vigas y elementos de soporte;
finalmente, el tercer dígito se asocia a la resistividad de los pisos.
3.2.1. Panorama internacional
Para el periodo 2000-2004, en promedio, el 35% de los incendios a nivel mundial
estuvieron asociados a incendios en estructuras, siendo este el mayor porcentaje en
comparación a los incendios en vehículos, incendios forestales e incendios en
exteriores, como se muestra en la Figura 16; esta tendencia se ha mantenido en los
últimos años, llegando a reportarse cerca de 1.2 millones de incendios estructurales en
el año 2012 [17].
29
Figura 16. Distribución porcentual de los tipos de incendios reportados a nivel mundial
para el año 2004 (Incendios totales: 3’302,055)
[17]
La cantidad de incendios estructurales y muertos asociados a éstos varía en cada país
dependiendo en gran parte de la población del mismo, las normativas contra incendios
establecidos, el tipo de materiales usados en las construcciones y la clase de
estructuras que tiene cada país; lo anterior se muestra en las siguientes figuras.
Figura 17. Cantidad de incendios de tipo estructural por país para el año 2004
[17]
0
100
200
300
400
500
600
Nú
me
ro d
e in
cen
dio
s d
e t
ipo
est
ruct
ura
l(E
n m
iles)
País
30
Figura 18. Tasa de muertos en incendios estructurales por cada millón de habitantes por
país para el año 2007
Adaptado de [18]
3.2.2. Panorama nacional
Según la Organización Mundial de la Salud en Colombia hay en promedio 0.5 muertes
asociadas a incendios por cada 100.000 habitantes lo cual equivale a 235 fatalidades
al año [19]. En el 2011, el cuerpo oficial de bomberos de Bogotá reportó un total de
1101 emergencias por incendios, de las cuales 810 fueron de tipo estructural, lo cual
representa un 74% de los incendios ocurridos en la ciudad [20].
El cuerpo oficial de bomberos de Bogotá establece que la mayoría de incendios
estructurales se dan de manera inconsciente y se asocian principalmente a las
siguientes causas:
Fallos eléctricos
Equipos con superficies calientes
Mal manejo de líquidos inflamables
Ignición espontanea
Soldaduras
Cenizas o brazas
Energía mecánica
Cigarrillos o fósforos
El tipo de fuego en estructuras se clasifica de la A a la D de acuerdo a la clase de
combustible asociada al incendio. La clase A se asocia a combustible sólidos como
maderas, papel etc. La clase B es para líquidos tales como gasolina, alcohol entre
otros. En la clase C se encuentran todos los gases, por ejemplo butano y propano. La
clase D se establece para combustibles especiales como sodio o magnesio [20].
02468
101214161820
Suiz
a
Sin
gap
ur
Au
tria
Ital
ia
Ho
lan
da
Au
stra
lia
Esp
aña
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hab
itan
tes
País
31
4. INTRODUCCIÓN A LA CLASIFICACIÓN DE MATERIALES PARA
SITUACIONES DE INCENDIOS EN APLICACIONES ESTRUCTURALES
La clasificación de materiales se presenta como una herramienta útil y necesaria a la
hora de seleccionar un material o un conjunto de estos para una aplicación
determinada. Establecer clasificaciones de materiales a partir de las propiedades que
estos tienen y su respuesta frente a diversos factores externos o condiciones a las
cuales vayan a estar expuestos es fundamental para determinar su tiempo de vida útil,
periodos y protocolos de mantenimiento, etc. De manera específica, en el caso de
aplicaciones estructurales, la clasificación está orientada a la resistencia mecánica de
los materiales, esto permite establecer el tiempo y bajo qué condiciones la integridad
de la estructura no se ve afectada.
En el caso de incendios estructurales, los factores que permiten clasificar los
materiales varían de acuerdo a la normativa establecida en cada país. De manera
general el principal parámetro usado en la clasificación de materiales es el índice de
propagación de llama, asociado a la dinámica del incendio en relación al material por
el cual se difunde; adicionalmente, factores como el tiempo de flashover, tasa de
liberación de calor, tasa de producción de humo y el tiempo de resistencia mínimo
requerido, son también parámetros que permiten clasificar un material para
aplicaciones estructurales. A continuación se presentan las principales normativas
asociadas a la clasificación de materiales para aplicaciones estructurales desde una
perspectiva de incendios a nivel mundial y en Colombia.
4.1. PANORAMA MUNDIAL
Con respecto a la clasificación de los materiales, la NFPA es una de las principales
entidades encargadas en establecer las normas y estándares para la adecuación de
zonas para casos de incendios, una de estas normas es la NFPA 255, la cual
establece una prueba estándar para la caracterización de materiales de construcción
mediante pruebas y análisis de combustión y la adecuación de estos materiales de
acuerdo a su ubicación en una planta, oficina o edificación. En esta prueba se mide
que tan rápido y que tan lejos se propaga la llama en un material teniendo como
referencia un número adimensional denominado índice de propagación de llama FSI,
el cual toma un valor de cero (0) para asbestos y cementos y un valor de 100 para
roble rojo [21]. A continuación se presenta la tabla para la clasificación general de
materiales bajo la norma NFPA 255.
32
Tabla 4. Clasificación de materiales según el código NFPA 255
[21]
Clase NFPA FSI
A 0-25
B 25-75
C 76-200
D 201-500
E >500
De manera específica, la norma NFPA 101 establece el código de seguridad humana,
en la cual se realiza una recopilación de los requisitos sobre acabados en interiores
para diferentes ocupaciones. Para esta clasificación se tiene en cuenta las clases de
materiales especificados con la norma NFPA 255, esta clase se implementa en los
muros y techos interiores; por otro lado, para los pisos en interiores se hace una
distinción entre dos clases, la clase I para flujo radiante crítico mayor a 0.45 watts/cm2
y la clase II para flujo radiante crítico entre 0.22 y 0.45 watts/cm2 [22], esto se muestra
en la Tabla 5.
Tabla 5. Restricción de materiales para acabados de interiores por ocupación según la
norma NFPA 101
[22]
Ocupación Salida Accesos a las
salidas
Otros
espacios
Reuniones públicas con carga de ocupantes >300 A A o B A o B
Reuniones públicas con carga de ocupantes ≤ 300 A A o B A, B o C
Educativas A A o B A, B o C
Guarderías A
I o II
A
I o II A o B
Hogares de día grupales y/o familiares A o B A, o B A, B o C
Sanitarias
(Rociadores obligatorios) A o B A, B o C A, B o C
Penitenciarias y correccionales A
I
A
I A, B o C
Viviendas Uni y Bifamiliares, Albergues o Pensiones A, B o
C A, B o C A, B o C
Hoteles y dormitorios A
I o II
A o B
I o II A, B o C
Edificios de apartamentos A
I o II
A o B
I o II A, B o C
Mercantil A o B A o B A o B
De Oficinas y Sanitarias para pacientes ambulatorios A o B
I o II
A o B
I o II A, B o C
Industrial A o B A, B o C A, B o C
Para Almacenamiento A o B A, B o C A, B o C
33
Aunque las normas establecidas por la NFPA son ampliamente usadas a nivel
mundial, en algunos países la clasificación de materiales se hace con base en la
norma ISO 9705, la principal diferencia de esta norma con la NFPA es que en la
norma ISO se tiene en cuenta el tiempo de flashover, la tasa de liberación de calor y la
tasa de producción de humo. Esta norma presenta dos aproximaciones para
clasificación de materiales; la primera tiene en cuenta los parámetros mencionados
anteriormente y la segunda únicamente considera el tiempo de flashover [23]. Estas
dos aproximaciones de clasificación de materiales se presentan en las Tablas 6 y 7.
Tabla 6. Clasificación de materiales según la norma ISO 9705, aproximación Sundstrom y
Goransson
[23]
Clase
Tiempo de
flashover
(min)
Tasa de
liberación
de calor
(kW)
Tasa de
producción
de humo
(obm3s-1)
Ejemplo
A 20 600 10 Lana mineral, placa de
yeso laminada
B 20 1000 70 Papel tapiz ligero en
placa de yeso laminada
C 12 1000 70
Revestimiento contra
fuego para maderas,
placa de yeso laminada
en espuma de
poliestireno
D 10 1000 70 Papel tapiz pesado
E 2 1000 70 Productos de madera
Tabla 7. Clasificación de materiales según la norma ISO 9705, aproximación de Gardner
y Thomson
[23]
Nivel Uso en edificaciones Restricción de materiales
A Pasillos aislados contra incendios
(Salidas)
No hay flashover después
de 10 minutos
B Zonas de reunión y pasillos que dan
acceso a las salidas
Flashover después de 6
minutos
C Áreas generales Flashover después de 4
minutos
D No permitido Flashover en menos de 4
minutos
Con respecto al sistema europeo existe una clasificación denominada Euroclase, la
cual clasifica los materiales y define su posible uso en alguna estructura; para esto la
34
Euroclase tiene en cuenta tres aspectos. Como primer aspecto se establece la clase
principal la cual se asocia al tipo de material, en total existen 39 clases divididas en 7
niveles: A1, A2, B, C, D, E y F; donde A1 representa la mejor clase y F los materiales
no clasificados. Como segundo aspecto se tiene la clase de humo que genera el
material cuando entra en un proceso de combustión, para esto se tienen tres clases:
s1, s2 y s3; siendo s1 la mejor clase. Finalmente, la Euroclase también tiene en cuenta
el tipo de partículas procedentes de las llamas y las clasifica en d0, d1 y d2; donde d0
representa la mejor clase [24].
Por otro lado, la Euroclase clasifica la resistencia al fuego de un edificio de acuerdo a
4 características. La primera está asociada a la capacidad de carga que soporta el
edificio o la estructura, esta característica se representan con la letra R. La segunda
característica es la integridad de la estructura, es decir su capacidad de impedir fugas
de llamas y gases calientes, y se representa con la letra E. La siguiente característica
se relaciona con el aislamiento de los materiales de la estructura medido como la
capacidad de reducir la emisión calórica, el aislamiento se representa con la letra I. La
ultima característica abarca a las otras tres, y se establece como el tiempo máximo
para el cual la estructura conserva sus propiedades REI [24].
Como condiciones específicas en el Euroclase se establece que los techos deben
soportar temperaturas de 300ºC sin colapsar, dado que a esta temperatura se dan las
fases iniciales del incendio cuando todavía se pueden llevar a cabo las evacuaciones y
las operaciones de rescate. Adicionalmente, el techo no debe contribuir
significativamente en la formación de humo y la difusión de llamas, por lo que para la
mayoría de países europeos la mínima clasificación permitida para que un material se
use en un techo es la B-s1-d0 [24].
4.2. PANORAMA NACIONAL
En el ámbito de normativas relacionadas con incendios y la clasificación de materiales,
en Colombia se presenta la Ley 1575 del 2012 o mejor conocida como la ley general
de bomberos de Colombia, en esta se presenta y se establece el rol del bombero en
situaciones de emergencia, además de definir los protocolos o los pasos a seguir en el
caso de manejo o trabajo con materiales peligrosos en situaciones de fuego [25]; sin
embargo, el tema de clasificación de materiales no es muy detallado en esta ley por lo
que las distinciones entre materiales solo se pueden adelantar de manera muy
general. En el caso de la clasificación de materiales la principal normativa en Colombia
es la Ley 400 de 1997 asociada a la Comisión Asesora Permanente para el Régimen
de Construcciones Sismo Resistentes y su reglamento de construcción sismo
resistente NSR-10, el cual en la sección J presenta una serie de requisitos orientados
a la protección contra incendios en edificaciones. En este reglamento se hace una
clasificación similar a la desarrollada en la NFPA 255 la cual se describe en la norma
colombiana NTC 1691, en la que el criterio de clasificación se basa en el índice de
propagación de la llama (FSI) [26], como se muestra en la Tabla 8.
35
Tabla 8. Clasificación de materiales del reglamento NSR-10 según la norma NTC 1691
[26]
Clase FSI Ejemplo materiales
1 0-25
Pañete de cemento
Placas planas de fibrocemento
Asfalto.
2 26-75
Hoja de aluminio
Cartón de fibra
Madera tratada mediante impregnación.
3 76-225
Madera de espesor nominal superior a 2,5cm
Cartón endurecido
Algunos plásticos
4 >225
Tela
Viruta
Papel
Algodón
Adicionalmente, en este reglamento se presenta una estimación del potencial
combustible por unidad de área y por peso de diferentes materiales y sustancias. Por
otro lado, el reglamento hace una categorización de riesgos de las edificaciones de la
siguiente forma.
Categoría I: Edificaciones con mayor riesgo de pérdidas de vidas humanas o
con alta amenaza de combustión.
Categoría II: Edificaciones con riego intermedio.
Categoría III: Edificaciones con baja capacidad de combustión.
A partir de la categorización anterior se presenta una clasificación de resistencia
requerida por tiempo para diferentes elementos de construcción, normalizado por la
norma NTC 1480 [26], como se muestra en la siguiente tabla.
Tabla 9. Resistencia requerida al fuego en horas para elementos de construcción según
la norma NTC 1480
[26]
Elementos de construcción Categoría
I II III
Muros contrafuego 3 2 ½ 2
Muros de cerramiento de escaleras, ascensores, buitrones,
ductos para basuras y corredores de evacuación 2 2 1 ½
Muros divisorios entre unidades 2 1 ½ 1
Muros interiores no portantes ½ ¼ -
Columnas, vigas, viguetas, losas y muros portantes de
cualquier material y estructura metálicas en celosía 2 1 ½ 1
Cubiertas 1 1 ½
Escaleras interiores no encerradas con muros 2 1 ½ 1
36
Aunque la clasificación establecida por el reglamento NSR-10 presenta una serie de
restricciones con respecto al tipo de materiales usados en construcción desde una
perspectiva de protección contra incendios, los parámetros de clasificación usados en
este reglamente no permiten una evaluación total de la respuesta del material frente a
una situación de fuego, dado que el comportamiento de un material en este tipo de
situaciones depende de factores tale como índices de carbonización, flux de calor
crítico, tasa de pérdida de masa del material, velocidad y tipo de combustión entre
otros; además de los parámetros de índice de propagación de llama, tiempo de
flashover y tiempo mínimo de resistencia presentados anteriormente.
Por lo anterior, resulta de vital importancia el desarrollo de estudios en Colombia que
permitan la caracterización de materiales y su respuesta a condiciones de incendio,
esto con el fin de prevenir, controlar y mitigar este tipo de emergencias y su
probabilidad de ocurrencia en una infraestructura de interés, reduciendo así la
probabilidad de fatalidades y heridos, y minimizando los costos asociados a daños
materiales.
37
5. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
La caracterización de materiales es un conjunto de métodos de análisis y comparación
con los que se pueden estimar las propiedades de un material a partir de la respuesta
que éste genere frente a una acción externa de tipo mecánica, química, térmica, entre
otras. En este caso, la caracterización se enfoca en el análisis térmico, sometiendo al
material de interés a altas temperaturas ya sea usando una superficie caliente o una
llama, evaluando su respuesta y el cambio de propiedades mecánicas y químicas. Los
métodos de caracterización varían de acuerdo al material con el que se está
trabajando o a la propiedad que se desee estudiar. El análisis térmico del material se
puede orientar hacia dos perspectivas, la primera consisten únicamente en la
caracterización del material y la determinación de sus propiedades, resistencia y
respuesta en situaciones de fuego, la segunda perspectiva consiste en el desarrollo de
un estudio comparativo entre dos o más materiales, con el fin de determinar cuál de
ellos presenta una mejor respuesta frente a una situación de fuego y a su vez como la
presencia de dicho material puede afectar el desarrollo de la emergencia.
El proceso para el desarrollo de la caracterización de un material inicia definiendo el
objetivo de la caracterización del material, este objetivo puede estar asociado a
establecer la naturaleza del material, es decir sus propiedades intrínsecas; por otro
lado, la caracterización del material también puede estar asociada a definir sus
propiedades y su comportamiento en una situación específica; para esto es importante
considerar la escala a la cual se está trabajando, dado que los elementos que
gobiernan la respuesta de un material pueden variar de acuerdo al tamaño del mismo.
Luego de definir el objetivo de la caracterización se deben establecer las posibles
alternativas técnicas que pueden ser usadas, para esto se debe tener en cuenta
criterios tales como el tipo de material que se está caracterizando, la respuesta que se
desea evaluar, la disponibilidad de equipos y de personal operativo en el laboratorio, la
capacidad dimensional del sitio donde se lleva a cabo la caracterización, el tiempo
necesario o requerido para la prueba y la resolución necesaria para la toma de datos;
teniendo en cuenta los criterios anteriores se hace la selección de la técnica o las
técnicas a usar. Posteriormente, se hace la preparación de las muestras de acuerdo
al protocolo definido para cada ensayo; seguido de esto, se desarrolla la
caracterización de la muestra bajo las condiciones establecidas para la prueba. Luego
de llevar a cabo la caracterización se debe hacer un primer análisis correspondiente a
la calidad de las pruebas, teniendo en cuenta características tales como el ruido en los
datos; con esto se puede hacer una aproximación a los errores sistemáticos o
aleatorios de la prueba con el fin de hacer las modificaciones necesarias para mejorar
la calidad de los datos obtenidos. A continuación, se hace un análisis de resultados
teniendo en cuenta los criterios definidos previamente, las condiciones usadas en el
proceso y la calidad de los datos de respuesta; a partir de esto se determina la
confiabilidad de la técnica usada y los datos obtenidos, y se establece si la información
resultante puede ser concluyente o no; de no ser así se debe hacer una nueva
evaluación de técnicas y repetir el proceso de caracterización [27]. En el siguiente
38
diagrama se puede observar el algoritmo base para llevar a cabo el proceso de
caracterización de un material.
Figura 19. Algoritmo para el desarrollo de la caracterización de materiales
Adaptado de [27]
5.1. CARACTERIZACIÓN QUÍMICA
Actualmente en la industria, la producción de polímeros implica el uso de aditivos
químicos diferentes al monómero principal, esto con el fin de favorecer o desarrollar
algunas propiedades físicas, mecánicas, químicas, entre otras. Aunque la presencia
de estos aditivos se asocia con ciertas características del material, es posible que
afecte otras propiedades del material entre las cuales se encuentran la respuesta o
resistencia a fuego, generando así materiales por ejemplo autoextinguibles, con
combustión violenta o con alta producción de smoke.
39
Para el desarrollo de las pruebas de este trabajo se usaron muestras de polímeros de
tipo comercial; en el caso del PMMA se empleó acrílico distribuido por la empresa
Acrílicos de la 13; por otro lado, el PVC espumado se adquirió en la empresa
Cubiertas y Espacios. Sin embargo, debido a que son materiales de tipo comercial no
se reportan en las especificaciones componentes o aditivos químicos que puedan
tener. Por lo anterior, resulta necesario el desarrollo de pruebas de caracterización
química de los polímeros, con el fin de determinar los principales componentes del
material, para de esta forma poder asociar la respuesta y la resistencia al fuego del
polímero con su composición química.
Entre las muchas pruebas de análisis químico para polímeros la espectroscopia
infrarroja permite tener una visión general de la composición de material, con lo que se
logra determinar sus principales enlaces moleculares, para finalmente asociarlos con
la estructura monomérica principal o con algún aditivo químico.
5.1.1. Espectroscopia Infrarroja
Los espectros de emisión o absorción se presentan cuando las moléculas presentan
transiciones entre dos estados de energía, esto se relaciona con la frecuencia de la
radiación emitida o absorbida. Las frecuencias en el infrarrojo en intervalos de
longitudes de onda de 1 a 50 µm-1 se asocian a la vibración molecular y a los
espectros de vibración-rotación [1].
Una molécula presenta movimientos rotacionales y translacionales de lo cual se puede
obtener informacional relacionada con los modos vibracionales, dado que esto implica
movimientos localizados de grupos pequeños de átomos con lo que se puede obtener
bandas de absorción para las frecuencias características de estos grupos y de sus
movimientos moleculares [1].
En los polímeros el espectro de absorción infrarroja presenta una alta simplicidad
debido al hecho de que muchas de las vibraciones de las moléculas tienen las mismas
frecuencias, ya que es un material con una estructura molecular repetitiva, como
consecuencia aparece un espectro como una única banda de absorción. La
frecuencias resonante obtenida de la vibración molecular del polímero se puede
asociar con la fuerza del enlace y la masa atómica, con lo que se pude determinar el
tipo de enlace [1]. En la siguiente figura se pueden ver las bandas de absorción para
diferentes enlaces moleculares presentes en los polímeros.
40
Figura 20. Bandas de absorción infrarroja para diferentes enlaces de polímeros
[1]
La caracterización química por espectroscopia infrarroja presenta muchas técnicas de
recolección y análisis de datos, en el caso de los polímeros una de las técnicas más
usadas es el FTIR (Fourier Transform Infrared Spesctroscopy) debido a su alta
velocidad en el procesamiento de datos y su buena precisión en la medición de la
vibraciones moleculares del polímero.
5.1.1.1. Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR)
La FTIR es una de las técnicas más modernas usadas en la espectroscopia infrarroja
de polímeros, esta consiste en el uso de radiación infrarroja para grabar movimientos
moleculares a través de software especializaos, en los cuales se utiliza una fórmulas
de procesamiento de datos por transformada de Fourier y un esquema de conversión
denominado interferómetro de Michelson [28].
La transformada de Fourier es una ecuación matemática que convierte la señal
espectral realizada por un ordenador desde un dominio de tiempo hacia un dominio de
frecuencia. Su mecanismo de acción se basa en la modulación del interferómetro de
Michelson. El dominio del tiempo es un método espectroscópico que utiliza variación
de potencia alta. No hay transductor óptico disponible que pueda tolerar tales
frecuencias de alta potencia. El interferómetro de Michelson modula las frecuencias
altas del dominio del tiempo para producir frecuencias bajas y medibles [28].
41
Con lo anterior es posible captar las frecuencias resonantes producidas por el
movimiento vibracional de las moléculas, en el caso de los polímeros se presentan 6
tipos de movimientos los cuales se muestran en la Tabla 10, para el desarrollo de la
prueba se usó el equipo NICOLET 380FT-IR.
Tabla 10. Vibraciones moleculares en polímeros
[29]
Nombre Movimiento
Estiramiento simétrico
Estiramiento asimétrico
Wagging o Aleteo
Rocking o Balanceo
Twisting o Torsión
Scissoring o Tijereteo
42
5.2. CARACTERIZACIÓN DE POLÍMEROS POR COMBUSTIÓN
Debido a la naturaleza petroquímica y orgánica de los polímeros PMMA y PVC, estos
se comportan como un combustible en el caso de estar en presencia de una fuente de
ignición y contar con el oxígeno necesario para iniciar una reacción de combustión. No
obstante, debido a la variedad de productos plásticos que se producen hoy en día, los
aditivos que se agregan a los procesos de síntesis, los plastificantes, entre otros
factores, el comportamiento de un plástico en una reacción de combustión pude variar
en muchos aspectos tales como: tiempo de combustión, difusión de la llama, aroma de
los gases de reacción, violencia de la reacción, tipo de llama, etc. Estos factores
pueden ser determinantes en el dinámica de un incendio, dado que esto puede afectar
la difusión de la llama, la generación de gases de combustión y la temperatura del
compartimento donde se desarrolle el incendio, por mencionar algunos [3].
Debido a la variedad de respuestas que pueden presentar los polímeros en una
reacción de combustión, este tipo de reacciones resultan idóneas para caracterizar al
polímero con el cual se está trabajando dado que el comportamiento del plástico en un
proceso de combustión se puede asociar con parámetros tales como: La densidad del
polímero (En el caso de las espumas poliméricas), la pureza de la matriz polimérica,
los componentes principales del la estructura del monómero, los tipo de aditivos y/o
plastificantes, entre otros [3].
En el caso de los polímeros, la caracterización por combustión se puede dar de forma
cualitativa y/o cuantitativa, cada una de estas perspectivas permite obtener
información del comportamiento de los polímeros en una situación de incendios y
como la presencia de estos puede afectar el desarrollo de las llamas y la generación
de gases de combustión. Es por esto que un análisis por combustión con base en
variables cualitativas y cuantitativas permite obtener una visión amplia del rol que
pueden tener polímeros como el PMMA y el PVC espumados en un incendio
estructural, cuando estos son utilizados como elementos arquitectónicos, decorativos o
estructurales.
5.2.1. Caracterización cualitativa
La caracterización por combustión de los polímeros desde una perspectiva de análisis
cualitativo tiene por base la observación del proceso de combustión y la identificación
de diversos parámetros característicos del polímero. Estos parámetros permiten
relacionar de manera general el plástico que se está caracterizando con su
composición química y la presencia de aditivos y plastificantes; además de establecer
su posible comportamiento en una situación de incendios. A continuación se listan los
principales parámetros de caracterización cualitativa de polímeros por combustión.
Inflamabilidad: Este parámetro se relaciona con la capacidad del polímero
de generar una llama producto de su combustión; no obstante, no todos los
43
polímeros pueden producir llama, en algunos casos estos solo se derriten o
se carbonizan. Por otro lado, la inflamabilidad también evalúa si el polímero
es auto-extinguible cuando se retira o elimina la fuente de ignición [30].
Aspecto de la llama: El aspecto de la llama se evalúa con respecto al color
que se genere al momento de producirse la combustión del polímero. El
color de la llama se puede asociar con la composición química y presencia
de aditivos y plastificantes [30].
Goteo: Algunos polímeros presentan goteo cuando están en un proceso de
combustión, debido a que los enlaces principales y secundarios del plástico
se debilitan antes de que se consuma todo el material combustible [30].
Carbonización: La carbonización solo se da en algunos polímeros y consiste
en la formación de carbón producto de la reacción de combustión del
polímero [30].
En la Tabla 11 se pueden observar los parámetros cualitativos con sus respectivos
niveles y algunos ejemplos de polímeros
Tabla 11. Ejemplos de polímeros y niveles para parámetros de análisis cualitativos de
polímeros por combustión
[30]
Parámetro Nivel Ejemplo
Densidad de humo
(smoke)
Alto Epoxy, Poliamidas
Medio PPS
Bajo Fenólicos, PES, PAS,
PEEK
Inflamabilidad
No arde Siliconas, PTFE,
poliimidas
Difícil de encender, se
auto-extingue cuando
se retira la llama
Resinas fenólicas,
Amino resinas, caucho
clorado, PC, poliamidas
Arde en la llama, no se
auto-extinguen o lo
hacen lentamente fuera
de la llama
Polialcoholvinilio,
policloropreso, PET,
PUR, PE, PP, resinas
poliéster
Aspecto de la llama
Azul PE, PP, poliamida
Brillante PS, ABS
Blanca amarillenta Siliconas
Verde claro PVC
Azul blanquecino PKMA
Goteo Si Silicona
No PC
Carbonización Si Algunos cauchos
No PS
44
5.2.2. Caracterización cuantitativa
Los factores de análisis cuantitativo tienen por base la variación de algún parámetro
representado en una magnitud física, que en el caso de la combustión del polímero se
asocia a variables como la velocidad de combustión, la extensión de la reacción, el
tiempo y la densidad de humo. Estas son algunos de los parámetros que se pueden
asociar al análisis cuantitativo, los cuales aunque no representan toda la gama de
posibles mediciones que se pueden hacer en un experimento de combustión, si
permiten tener una visión aproximada del comportamiento de un material en una
situación de incendios y su posible interferencia en la dinámica de estos eventos.
Extensión de combustión (𝐿𝐶): Este parámetro determina el desplazamiento
del fuego sobre el material, esto asociado a la tasa de calor y a la
contribución del material al proceso de combustión. La extensión de
combustión se mide con respecto a un marco de referencia definido en
pruebas estándares, los cuales tienen en cuenta la posibilidad de que el
material combustible se consuma en su totalidad [31].
Tiempo de combustión (𝑡𝐶): Es el tiempo que le toma a un material
consumirse por combustión en un área o longitud determinada. En el caso
de que no todo el material combustible se consuma, el tiempo de
combustión se asociará a la duración de la reacción [31].
Velocidad lineal de combustión (𝑉𝐶): Este factor no hace referencia a la
velocidad cinética de la reacción sino es la relación entre la extensión de la
combustión y el tiempo asociado a esta reacción; en otras palabras, la
velocidad de combustión representa una tasa de difusión de la llama sobre
material en unidades de longitud con respecto al tiempo de combustión [31].
Densidad de humo (smoke): La densidad de humo hace referencia al nivel
de opacidad que presentan los gases producto de la reacción de combustión
del polímero. Para el estudio se hace una comparación cualitativa de la
opacidad de los gases con respecto a un elemento de referencia, por lo
general se usa un objeto de color blanco [30].
5.3. RESPUESTA MECÁNICA DE LOS POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS A
ALTAS TEMPERATURA
Generalmente, las propiedades mecánicas son medidas a temperatura ambiente, dado
que los cambios de temperatura pueden afectar la respuesta y resistencia del material.
De manera general, los polímeros termoplásticos presentan un cambio en la respuesta
a esfuerzos externos debido a los cambios de temperatura; estas respuestas pueden
ser de tipo dúctil a temperaturas altas, o frágil a bajas temperaturas. El punto que
determina el tipo de comportamiento mecánico del polímero se denomina temperatura
45
de transición vítrea, en el cual se da una transición frágil-dúctil debido a un cambio
viscoelástico del material. Las bajas temperaturas se asocian a una respuesta frágil
del material y a un comportamiento elástico, mientras que las altas temperaturas se
relacionan con una respuesta dúctil y un comportamiento viscoso o plástico [2].
En la siguiente figura se puede observar el cambio en el comportamiento mecánico del
PMMA con respecto a la temperatura para una prueba de esfuerzo-deformación.
Figura 21. Curva esfuerzo vs deformación del PMMA a diferentes temperaturas.
La transición dúctil-frágil se da entre 86 y 104 ºC [2]
En el caso de altas temperaturas como se puede observar en la anterior figura, el
material presenta un comportamiento más dúctil, es decir que se ablandece, dado que
a medida que aumenta la temperatura las fuerzas de enlaces secundarios entre las
cadenas poliméricas se vuelven más débiles y la resistencia del polímero se reduce;
Este fenómeno se incremente significativamente cuando se supera la temperatura de
transición vítrea. Lo anterior se puede observar en la siguiente figura.
46
Figura 22. Efecto de la temperatura en el esfuerzo de fluencia para algunos
termoplásticos.
Tg PVC: 70ºC. Tg PMMA: 100ºC [2]
5.4. PRUEBAS PARA LA CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE POLÍMEROS
Actualmente organizaciones como la ASTM y la ISO, por mencionar algunas, han
establecido pruebas o métodos para la caracterización de materiales que van desde
pruebas mecánicas hasta análisis de respuesta químicas. Estas pruebas, que
comúnmente se conocen como estándares, permiten caracterizar materiales como
polímeros termoplásticos mediante protocolos experimentales y de medición; esto se
da gracias a que los estos estándares cuentan con información detallada sobre
equipos de medición y montajes experimentales, además se incluye información
acerca de que datos se pueden obtener y cómo interpretarlos; adicionalmente, se
presentan indicaciones de las características necesarias de las muestras de medición
como peso y dimensiones. En el caso de pruebas térmicas para polímeros, existen
diversas metodologías de análisis como, calorimetría, termodilatometría,
termogravimetría, mediciones de difusión de fuego, pruebas termomecánicas y
dieléctricas, entre otras. No obstante, algunas de estas pruebas requieren equipos
especializados y condiciones de experimentación especifica, lo que limita el tipo de
pruebas que se pueden llevar a cabo para caracterizar al PMMA y el PVC espumado.
Teniendo en cuenta lo anterior, se decidió establecer los procesos experimentales de
caracterización de polímeros por combustión y análisis de propiedades mecánicas a
partir de pruebas estándar, para esto se tuvo en cuenta el recurso físico con el que
cuenta la Universidad de los Andes. Los protocolos experimentales se definieron a
47
partir de las pruebas estándar ASTM y las metodologías experimentales de DSC y
DMA.
5.4.1. Pruebas ASTM
Las normas estándar ASTM estructuran las pruebas experimentales en tres pasos
principalmente, el primer paso consiste en la descripción de los equipos y la
preparación de las muestras a analizar; el segundo paso consiste en el
establecimiento de las condiciones del proceso y el desarrollo de la prueba con base
en las propiedades de interés; finalmente, el tercer paso se trata de la recolección de
datos y su análisis correspondiente. Adicionalmente, las normas ASTM establecen
restricciones acerca del tipo de materiales o componentes a los cuales se les puede
realizar la prueba, esto garantiza una normalización en los datos obtenidos lo que
permite una correcta descripción del material desde una perspectiva de respuesta y
resistencia al fuego.
Para este estudio, las pruebas experimentales están orientadas a la caracterización
por combustión bajo un análisis tanto cuantitativo como cualitativo.
5.4.1.1. Norma ASTM D635-10
Método de prueba estándar para determinar la tasa, extensión y tiempo de combustión
de plásticos en posición horizontal [32].
Tipo de materiales: Polímeros termoplásticos y elastómeros.
Descripción: Una barra del material a ensayar es soportada horizontalmente
en uno de sus extremos con un inclinación de 45º con respecto al eje
perpendicular del soporte, el extremo libre es expuesto a una llama durante
30 s. El análisis correspondiente se hace con dos marcas posicionadas a 25
mm y 100 mm del extremo libre.
Información resultante: Velocidad, extensión y tiempo combustión,
inflamabilidad, aspecto de la llama, densidad de humo, goteo y
carbonización.
Montaje
48
Figura 23. Montaje experimental norma ASTM D635-10.
Adaptado de [32]
Materiales y equipos necesarios
Muestra del material con una dimensiones de 125±5mm de largo,
13±0.5mm de ancho y 3±0.2mm de espesor.
Soporte universal.
Pinzas de sujeción graduables.
Mechero.
Cronómetro.
Micrómetro o calibrador.
Campana de extracción.
Condiciones especiales de experimentación
Replicas por polímero: 10.
La altura de la llama del mechero debe ser de 20±2mm.
La llama se ubica entre el extremo libre del material y la marca de 25
mm.
En caso de que la muestra se doble al ser soportada usar un apoyo
según como establece la norma.
49
Figura 24. Soporte para prueba estándar ASTM D635-10
[32]
5.4.1.2. Norma ASTM D3801-10
Método de prueba estándar para la medición de las características de combustión en
plásticos en posición vertical [33].
Tipo de materiales: Polímeros elastómeros y termoplásticos.
Descripción: En este procedimiento se determina la respuesta de un material
polimérico en posición vertical a una fuente de calor, antes y después de ser
expuesto a esta. Para esta prueba, el material es expuesto a una llama por
30 s y al igual que en la prueba horizontal se establecen dos marcas de
referencia a 25 mm y 100 mm del extremo libre.
Información resultante: Velocidad, extensión y tiempo de combustión,
inflamabilidad, aspecto de la llama, densidad de humo, goteo y
carbonización.
Montaje
50
Figura 25. Montaje experimental norma ASTM D3801-10
[33]
Materiales y equipos necesarios
Muestra del material de 13±0.5mm de ancho y 125±5mm de largo y un
grosor menor a 13mm.
Soporte universal
Pinzas de sujeción graduables.
Mechero
Cronómetro
Algodón
Micrómetro o calibrador
Campana de extracción
Condiciones especiales de experimentación
Replicas por polímero: 10.
La altura de la llama del mechero debe ser de 20±2mm.
La llama se ubica entre el extremo libre del material y la marca de 25
mm.
El algodón se usa como un material receptor en el caso de que el polímero presente
goteo, esto sirve para establecer y evaluar si el material que gotea puede generar un
nuevo punto de combustión y llama en el caso de un incendio real.
51
5.4.1.3. Datos cuantitativos y cualitativos de combustión
Luego de que se retira la llama de la lámina del polímero se debe contabilizar el
tiempo que dura el proceso de combustión del material y difusión de la llama desde la
marca de 25 mm hasta la de 100 mm, el valor final se conoce como tiempo de
combustión o 𝑡𝑐 . En el caso de que el polímero sea autoextinguible el tiempo de
combustión se toma como infinito.
La extensión de combustión (𝐿𝐶) se establece a partir de las marcar ubicadas a 25 mm
y 100 mm. En el caso de que la llama supere los 100 mm el valor de la extensión de
combustión será de 75 mm. Cuando la llama sobrepasa la marca de los 25 mm pero
no supera los 100 mm, se debe medir la distancia entre esta marca y la posición en la
cual se detuvo el proceso de consumo de material, teniendo en cuenta el valor de esta
medición la extensión de combustión se define como
𝐿𝐶 = 75 − 𝐿100 (1)
Para la extensión de combustión no se tiene en cuenta la distancia entre la marca de
25 mm y el extremo libre de la lámina, dado que esta región del material es la que se
encuentra expuesta directamente al mechero, por lo que la difusión de la llama y
consumo del material se da por la presencia de la fuente de calor y no por las
reacciones de combustión en cadena del polímero.
La velocidad lineal de combustión del polímero (𝑉𝐶) se define a partir de la relación
entre la extensión y el tiempo de combustión, como se muestra en la siguiente
ecuación
𝑉𝐶 =60𝐿𝐶
𝑡𝐶 (2)
Por otro lado, los parámetros cualitativos de inflamabilidad, aspecto de la llama, goteo
y carbonización se pueden establecer a partir de la observación del experimento.
5.4.2. Calorimetría Diferencias del Barrido (DSC)
La calorimetría diferencial de barrido o DSC es una técnica para determinar la cantidad
de calor que es absorbida o liberada por un material tras sufrir un cambio químico o
físico, en este caso por el aumento progresivo de la temperatura. Estos cambios
alteran la energía interna de la sustancia, esta energía interna es conocida también
como entalpía cuando los procesos se llevan a cabo a presión constante. En el caso
de la calorimetría la variable de interés es el cambio de la entalpía entre dos
estados[34].
∆𝐻 = 𝐶𝑝 𝑑𝑇 (3)
52
En el caso de los polímeros la entalpía de estos incrementa debido a procesos
endotérmicos tales como la fusión del material, vaporización, transición vítrea. Por otro
lado, proceso exotérmicos que reducen la entalpía para los polímeros esa la
cristalización, el endurecimiento progresivo y la descomposición del material [34].
Figura 26. Diagrama esquemático de una curva DSC para las posibles transiciones de un
polímero
Adaptado de [34]
En la figura anterior se pueden observar las fases de transición de un polímero, las
fases de transición se definen como un cambio de un sistema de una fase a otra
debido a la variación de temperatura y/o presión. Esto genera un cambio de entalpía
que es medido con la ayuda del calorímetro, el cual identifica el desplazamiento del
flux de calor con respecto a línea base. La línea base es una sección linear de la curva
de transición que representa las condiciones en las cuales no hay reacción o transición
de fase. Es por esto que se asume que el calor de reacción o transición es igual a cero
(0) en la base línea [34].
El DSC opera bajo el principio de aplicar un gradiente de temperatura al material y
determinar su respuesta con base a su resistencia térmica. Para esto la muestra es
calentada desde una fuente de calor específica, lo que hace que se genere el
gradiente de temperatura, la respuesta que presenta el material dependerá de tres
factores principalmente: la tasa de calentamiento, el tamaño de la muestra y la
difusividad térmica del material [35]. Esta última se expresa como
𝛼 =𝑘
𝜌𝐶𝑝 (4)
Actualmente existen dos metodologías de análisis térmico por DCS, mediciones por
flux de calor y por compensación de energía.
DSC por flux de calor: Esta metodología funciona con un horno en el cual se
colocan la muestra de interés y un material de referencia. Estos son
calentados o enfriados mediante un programa de control de temperatura. Se
hacen mediciones de temperatura para las dos muestras y se establece el
flujo de calor del horno hacia las muestra; lo anterior se logra gracias a que
53
la base del compartimento donde se colocan las muestras es de un material
conductor, con el que se logra controlar y medir los cambios térmicos del
sistema [34].
La diferencia entre el comportamiento de la muestra y el material de
referencia se usa para determinar las propiedades térmicas del material de
interés. Para esto se hace una diferencia entre las temperaturas medidas en
la referencia y el material de interés [35].
∆𝑇𝐷𝑆𝐶 = 𝑇𝑆 − 𝑇𝑅 (5)
A partir ∆𝑇𝐷𝑆𝐶 se puede determinar el flux de calor asociado a el material
usando una ecuación equivalente a la ley de Ohm, en la cual se tiene en
cuenta la resistencia térmica del material y del contendedor [35].
𝑄 =∆𝑇𝐷𝑆𝐶
𝑅 (6)
Donde 𝑅 es la resistencia térmica del sistema, este parámetro es
dependiente del comportamiento térmico de material se está evaluando, lo
que permite diferenciar un material de otro [35].
Las ventajas del DSC por flux de calor son principalmente, que es un
método robusto y es de fácil manejo y medición; además de que las curvas
de calentamiento dejan ver claramente las regiones de transición del
material [34]. En la siguiente figura se observa el esquema del DSC por flux
de calor.
Figura 27. Esquema del DSC por flux de calor
[34]
DSC por compensación de energía: En este caso las muestras del material
de interés y el de referencia se encuentran separadas en dos hornos
independientes. El principio de funcionamiento consiste en que si una
reacción exotérmica o endotérmica se da en el horno del material de interés
haciendo que se presente una diferencia de temperatura entre este y el
material de referencia, una cantidad indeterminada de energía debe ser
54
aplicada o removida del sistema para compensar la diferencia de
temperatura. La energía que se aplica o se remueve del sistema se asocia
con las fases de transición del material de interés, lo que permite establecer
las curvas de calentamiento [34].
En este sistema se tiene en cuenta la diferencia de potencia térmica
asociada a los procesos de transferencia de energía mediante la siguiente
expresión
∆𝑃𝐷𝑆𝐶 = 𝑃𝑅 − 𝑃𝑆 (7)
La principal ventaja del DSC por compensación de energía es que se puede
medir fácilmente reacciones rápidas de transición, dado que la
compensación del sistema se da rápidamente por las características
conductivas del horno [34]. En la siguiente figura se observa el esquema del
DSC por compensación de energía.
Figura 28. Esquema del DSC por compensación de energía
[34]
5.4.2.1. Factores de influencia
El DSC al tratarse de una prueba con alta sensibilidad presenta algunos factores que
pueden influenciar o afectar los resultados de las mediciones, los principales factores
que interfieren en este tipo de prueba se presentan a continuación.
Peso de la muestra: Debido a la alta sensibilidad del equipo una gran
cantidad de material puede hacer que la diferencia de temperatura del
sistema sea mucho mayor, dado que la energía liberada por los procesos de
transición será más grande; esto puede afectar las mediciones del equipo y
los resultados finales. Es por esto que para este tipo de pruebas se
recomienda usar entre 5 y 20 mg de material con una tolerancia de 0.2%
[35].
Preparación de la muestra: La muestra del polímero debe preparase
cuidadosamente, dado que cualquier elemento o componente que pueda
55
contaminar el material puede afectar las mediciones presentadas en las
curvas de calentamiento. Adicionalmente, se debe usar un dispositivo
contenedor estándar como el de malla de aluminio, contenedor de alta
presión o el más común, el de cierre hermético [35]. Para esta prueba se
usó el contenedor de cierre hermético, el cual se puede ver en la siguiente
Figura.
Figura 29. Contenedor de cierre hermético para pruebas DSC
[35]
Gas de purga: Las celdas del DSC deben ser constantemente purgadas con
un gas altamente puro, y usualmente seco. Para este fin, se usan gases
inertes, aunque en ocasiones es posible usar oxígeno o aire con el fin de
evaluar procesos térmicos a condiciones atmosféricas; sin embargo, esto
solo es posible para ciertos materiales específicos [35]. Las principales
razones del uso de gas de purga son.
Previene la condensación del agua en las celdas.
Transporta elementos contaminantes o residuos.
Previene la turbulencia del sistema.
Incrementa la transferencia de calor en el sistema.
Previene la oxidación.
Material de referencia: Uno de los principales factores en las pruebas del
DSC es el material de referencia, dado que es con este material con el que
se compara la muestra de interés, es por esto que es muy importante
conocer la respuesta térmica del material de referencia, para así establecer
las propiedades térmicas de la muestra de interés. En la mayoría de pruebas
el material de referencia es el Indio. La principal característica de este
material, y lo que lo hace atractivo para pruebas con DSC, es su bajo ruido
en las mediciones experimentales llegando a los órdenes de los 𝜇𝑊 (ver
Figura 30), lo que permite tener poca interferencia en las mediciones del
material de interés [34].
56
Figura 30. Ruido de la línea base para el Indio en una prueba DSC
[34]
Temperatura de inicio y finalización: Antes de llevar a cabo el DSC se debe
establecer el rango de temperaturas en el cual se desarrollará la prueba.
Para esto es recomendable tener cierto conocimiento del material que se
está estudiando, dado que un rango de temperaturas muy pequeño puede
no evaluar algunas transiciones del sistema, y un rango de temperaturas
muy grande requerirá de mucho tiempo (dependiendo de la tasa de
calentamiento) y podría afectar la sensibilidad del equipo [34].
Tasa de calentamiento: La tasa de calentamiento es el parámetro más
importante en las pruebas DSC, expresa que tan rápido o que tan lento la
muestra es calentada. Se reporta en grados Celsius por minuto (ºC/min). La
importancia de la tasa de calentamiento, radica en que tan rápido y con
periodicidad se pueden hacer las pruebas del DSC. Sin embargo, una tasa
de calentamiento alta puede afectar la forma de las curvas de calentamiento
y los resultados de la prueba. Cuando se usa una tasa de calentamiento alta
la resolución decrece debido a que se presentan grandes gradientes de
temperatura lo que hace que la respuesta del equipo sea lenta. Por otro
lado, si se desea obtener una alta resolución se deben usar tasas de
calentamiento bajas; no obstante, eso hará que el tiempo de muestreo se
incremente reduciendo así la sensibilidad del equipo. De manera general se
recomienda usar una tasa de calentamiento de 10 ºC/min para pruebas
comunes de DSC. Para pruebas de pureza es recomendable emplear una
tasa de calentamiento de 1 ºC/min [35]. En la Figura 31 se puede observar
el efecto de la tasa de calentamiento en las curvas DSC.
57
Figura 31. Curvas DSC del poliestireno con tasas de calentamiento de 0.1, 1 y 10 ºC/min
[35]
5.4.2.2. Transiciones de temperatura
Como se mencionó anteriormente, los polímeros presentan diferentes transiciones, las
cuales se pueden relacionar a la temperatura y al flujo de calor que involucran los
diferentes procesos térmicos. A continuación se exponen las diversas transiciones
asociadas a un polímero termoplástico en una prueba DSC.
Transición vítrea: En polímeros, la transición vítrea representa el cambio de
un estado elástico a un estado viscoso. La movilidad de los segmentos de
cadena se incremente por encima de la temperatura de transición vítrea
(𝑇𝑔). Lo anterior se asocia a un cambio del volumen de la matriz polimérica
del material y a un cambio de entalpía del mismo. En general, la transición
vítrea conlleva un cambio drástico en las propiedades del material, como lo
es la reducción del esfuerzo de fluencia, el módulo de elasticidad, el
esfuerzo último, entre otros. Esto en aplicaciones estructurales puede llegar
a ser un problema, dado que el polímero puede fallar de forma inesperada o
puede sufrir procesos de termofluencia asociados a un cambio del
comportamiento mecánico desde un estado elástico a uno plástico. La
temperatura de transición vítrea de un material depende de los procesos a
los que fue sometido y a la estructura del material como: la orientación de
las cadenas, el grado de cristalización, la reticulación de la matriz del
material, los esfuerzos internos, etc [34].
Para determinar la temperatura de transición vítrea en una curva DSC se
usan los datos asociados al cambio del flujo del calor del proceso con base
en el estándar ISO 11357-1, como se presenta a continuación.
58
Figura 32. Determinación de la temperatura de transición vítrea con base en el estándar
ISO 11357-1
[34]
Donde 𝑇𝑖𝑔 es la temperatura de inicio de transición vítrea, 𝑇𝑒𝑖𝑔 es la
temperatura extrapolada de inicio de transición vítrea, 𝑇𝑓𝑔 es temperatura de
finalización de transición vítrea, 𝑇𝑒𝑓𝑔 es la temperatura extrapolada de
finalización de transición vítrea y 𝑇𝑚𝑔 es la temperatura de transición vítrea
media, la cual se ubica a 0.5 del cambio de la capacidad especifica. Como
se puede ver en la figura anterior, el proceso de transición de temperatura
es de tipo endotérmico, es decir que absorbe energía, esto se debe a que
para que haya un cambio viscoelástico en el material se debe suministrar
energía a la matriz polimérica con el fin de romper los enlaces secundarios y
algunos primarios para así aumentar la movilidad de la cadenas del polímero
[34].
Cristalización: Este proceso ocurre cuando a una temperatura relativamente
alta el material en el líquido amorfo se convierte en un estado de sólido
cristalino, este proceso es de tipo exotérmico. No obstante, para que se lleva
a cabo esta transición el material debe tener un alto grado de cistalinidad, es
por esto que para los polímeros PMMA y PVC la curva DSC no presenta un
cambio significativo con respecto a los procesos de cristalización dado que
son principalmente amorfos [34].
Fusión: La fusión es un cambio del estado sólido del polímero a un estado
líquido del material. En este proceso no hay pérdidas de masa ni reacciones
químicas. Esta transición es de tipo endotérmica, dado que el material
absorbe energía para romper los enlaces de las cadenas poliméricas, para
así dar paso al cambio de fase. La determinación del punto de fusión del
material se hace con base en el estándar ISO 11357-1 [34].
59
Figura 33. Determinación de la temperatura de fusión con base en el estándar ISO 11357
[34]
Donde 𝑇𝑖𝑚 es la temperatura de inició de fusión, 𝑇𝑒𝑖𝑚 es la temperatura
extrapolada de inició de fusión, 𝑇𝑓𝑚 es la temperatura de finalización de
fusión, 𝑇𝑒𝑓𝑚 es la temperatura extrapolada de finalización de fusión, 𝑇𝑝𝑚 es
la temperatura de de pico máximo o temperatura de fusión media y ∆𝐻𝑚 es
la energía absorbida por el material en proceso de fusión. El perfil de fusión
depende de los procesos a los cuales fue sometido el material, a su
morfología (e.g. orientación, cristalización) y a las condiciones de medición
(e.g. tasa de calentamiento) [34].
Vaporización: Es el proceso de cambio de fase de líquido a gas en
materiales poliméricos; no obstante, el proceso de vaporización en las
curvas DSC no es muy evidente, dado que ocurre entre las transiciones la
fusión y la degradación del material, por lo que los valores de entalpía no se
pueden ver independientemente. Para obtener una mayor precisión en el
estudio de esta transición se deben llevar a cabo pruebas de pureza, donde
la sensibilidad de las medicines sean más altas [35].
Degradación: Esta es la última transición de temperatura que sufre un
polímero, en este proceso todos los enlaces de las moléculas poliméricas se
rompen, y el polímero queda degradado en sus elementos base como
carbono, hidrógeno, oxígeno y demás componente. Este proceso es
altamente exotérmico e irreversible a diferencia de las demás
transiciones[34].
60
5.4.3. Densidad de humo
El análisis por densidad de humo se utiliza para determinar los cambios en los niveles
de opacidad en un compartimento determinado, para esto se debe hacer un estudio
bajo dos métodos. El primer método consiste de un análisis discretizado en el cual se
toman imágenes en intervalos de tiempo determinados con las cuales se hace una
comparación cuantitativa de los valores de opacidad del sitio. El segundo método se
basa en un análisis continuo de imágenes por lo que se realiza con videograbaciones
del proceso de producción de humo [36].
Actualmente existen muchos modelos para el análisis de densidad de humo de
procesos de combustión, muchos de estos involucran propiedades de a luz y del
medio; no obstante, un modelo y que presenta una buena aproximación al fenómeno
estudiado es el modelo de escala de grises; este se basa en la información de color
asociada a cada pixel de la imagen que se está evaluando [36].
La escala de grises se puede representar de dos formas. La primera consiste en una
escala de números enteros que va desde 0 hasta 255, siendo 0 la representación del
color negro y 255 el blanco. La segunda escala se basa números decimales en un
rango de 0 a 1, donde 0 representa el negro y 1 el blanco. En la siguiente figura se
puede ver las diferentes tonalidades de la escala de grises.
Figura 34. Escala de grises [37]
En el modelo de escala de grises no es necesario el uso de equipos sofisticados, ya
que con una buena cámara se puede recolectar información precisa del proceso de
recolección de humo. Con la cámara se hace una recolección de imágenes (ver Figura
34) y luego se hace una transformación de imagen RGB a una imagen en escala de
grises, con esta información se le puede asignar un valor numérico a cada pixel
logrando así hace un tratamiento matemático con las imágenes.
61
Figura 35. Esquema de captura de imagen
[36]
Para el análisis de densidad de humo del PMMA y PVC espumado se hicieron pruebas
de combustión para muestras de estos materiales con dimensiones de 100mm x
100mm x 3mm. El mechero de propano se ubicó en el centro de la muestra, la cual se
posicionó de forma horizontal.
Durante la recolección de imágenes se usó una cámara digital con una resolución de
10 mega-pixeles. Para el análisis de densidad de humo se realizaron 3 réplicas para
cada material; estas pruebas fueron grabadas en periodos de 60 segundos a partir del
momento en el cual se lograba observar la presencia de humo en la combustión.
Posteriormente, las grabaciones obtenidas fueron analizadas mediante un tratamiento
de imágenes usando el software Matlab. Debido a los requerimientos computacionales
necesarios para emplear el método de análisis continuo se decidió utilizar el método
por discretización extrayendo imágenes del video cada 0.5 segundos, con esto se
realizó un análisis en escala de grises de la información obtenida; para lo cual se
definió el grado de opacidad del humo con la siguiente ecuación.
𝑂 = 1 − 𝑣 ∗ 100 (8)
En donde 𝑂 es el grado de opacidad expresado en porcentaje y 𝑣 es el valor en escala
de grises de 0 a 1 del pixel.
Para disminuir la incertidumbre de los datos obtenidos se redujo el área de las
imágenes a una región de 20 cm de ancho y 40 cm de alto. Adicionalmente, dado que
el fondo donde se desarrollaron las pruebas no era completamente blanco se hicieron
grabaciones previas con el fin de establecer su valor en escala de grises y de esta
forma minimizar el ruido que puede generar el color de fondo en las mediciones de la
densidad de humo.
62
5.4.4. Análisis térmico infrarrojo
El análisis térmico infrarrojo consiste en la recolección de imágenes en un espectro
infrarrojo es decir un rango de longitud de onda de 0.7 hasta 1000 µm-1; con esta
técnica es posible determinar la temperatura asociada al objeto o al proceso que se
esté monitoreando, para lo cual se usa una cámara térmica o termográfica [38].
El principio de funcionamiento de una cámara térmica es el de que todos los cuerpos
emiten energía en forma de radiación; según la ley de Wien la longitud de onda de
esta radiación es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo, por lo tanto
un cuerpo con mayor temperatura emite mayor radiación infrarroja [38].
Las cámaras termográficas funcionan con un sistema monocromático con base en una
escala de grises, en la cual los cuerpos más fríos se asocian al color negro y los
cuerpos a mayores temperaturas se representan con tonalidades blancas. Las
imágenes a color (ver Figura) que se observan en estas cámaras son programadas
por el software de la cámara, esto con el fin de facilitar el reconocimiento de puntos o
zonas calientes y fríos por el usuario. Finalmente cada color se asocia a una
temperatura con base en la ley de Wien [38].
Figura 36. Imagen en infrarrojo de un a flama obtenida con una cámara térmica [39]
Con el fin de determinar la tasa de calentamiento y la temperatura que pueden
alcanzar los polímeros en reacciones de combustión, estos procesos fueron grabados
usando una cámara infrarroja. Para esto se usó el equipo thermoIMAGER TIM (ver
Figura 37) con el cual se logró monitorear los cambios de temperatura en el PMMA y
el PVC espumado. El fundamento de esta prueba radica en el concepto de radiación
de cuerpo negro, esto en relación a su emisividad que para el caso del PMMA y el
PVC espumado es de 0.94 y 0.92 respectivamente [40].
63
Para estas pruebas se usaron muestras de 200mm x 100mm x 3mm y un mechero de
propano. Para cada material se hizo una prueba con la lámina inclinada 45º con
respecto de su eje longitudinal y ubicando el mechero en la parte posterior.
Figura 37. Cámara thermoIMAGER TIM [41]
5.4.5. Análisis Dinámico-Mecánico (DMA)
Los polímeros son materiales visco-elásticos, por lo que su comportamiento mecánico
puede ser el de un sólido o un líquido dependiendo de las condiciones del sistema. Es
por esto que en análisis térmico de los polímeros, el estudio del cambio de
propiedades mecánicas con respecto a la temperatura es un área de vital importancia.
Uno de los métodos de estudio más usados hoy en día es el análisis mecánico
dinámico o DMA [35].
En el DMA, una muestra del material de interés es sometida a una pequeña
deformación cíclica, a partir de esto se hacen mediciones de esfuerzo y de respuesta
del material. No obstante, la principal característica del DMA es la capacidad de hacer
estas pruebas mecánicas con variaciones en la temperatura en el sistema, esto
permite determinar los cambios en la respuesta mecánica del material con respecto a
la temperatura e identificar en qué proporción el material presenta un comportamiento
viscoso o elástico [35].
El DMA puede funcionar aplicando una deformación al material y midiendo el esfuerzo
o viceversa. A partir de la diferencia de tiempo entre la aplicación de la deformación o
esfuerzo al material y la respuesta de éste, se pueden establecer las propiedades
visco-elásticas del mismo para diferentes temperaturas. Generalmente, la oscilación
que se le impone a material es de tipo sinusoidal como se observa en la siguiente
figura [34].
64
Figura 38. Oscilación sinusoidal y respuesta de un material visco-elástico
[34]
Como se puede observar en la figura anterior, se presenta un desfase entre la señal
oscilatoria de entrada (esfuerzo o deformación) y la respuesta del material
(deformación o esfuerzo). Este desfase es característico en materiales visco-elásticos
como los polímeros, dicho desfase es proporcional al grado de comportamiento
viscoso que presente el material, de la misma forma entre mayor sea el
comportamiento elástico menor será el desfase entre el esfuerzo o deformación de
entrada y la respuesta del material [34], esto se evidencia en la siguiente figura.
Figura 39. Oscilación sinusoidal y respuesta de un material puramente elástico
[34]
Los parámetros que caracterizan a un material mediante la prueba DMA se establecen
a partir de los estándares ISO 6721-1 y ASTM 4092. A continuación se presentan la
definición de los parámetros de experimentación
Amplitud del esfuerzo (𝜎𝐴): Es el máximo valor del esfuerzo dinámico ya sea
en la señal de entrada o en la respuesta del material [34].
65
Amplitud de la deformación (휀𝐴): Es el máximo valor de deformación
dinámica ya sea en la señal de entrada o en la respuesta del material [34].
Módulo complejo (𝐸∗): Es la razón entre la amplitud del esfuerzo y la
amplitud de la deformación y representa la rigidez del material. El módulo
complejo se compone de una parte real llamada módulo almacenado y una
parte imaginaria denominada módulo perdido. Estas son características
elástico-dinámicas específicas del material [34].
Módulo almacenado (𝐸′): Representa la rigidez de una material visco-
elástico y es proporcional a la energía almacenada durante los ciclos de
carga. En otras palabras, este módulo representa la componente elástica de
un material y su variación en el DMA [34].
Módulo perdido (𝐸′′): Es un parámetro proporcional a la energía disipada
durante los ciclos de prueba. Este módulo representa entre muchas cosas la
energía perdida por calor. De manera análoga al módulo almacenado, el
módulo perdido representa la componente viscosa de un material y su
variación en el DMA [34].
Ángulo de fase (𝛿): Es la diferencia de fases entre el esfuerzo dinámico y la
deformación dinámica en un material visco-elástico sujeto a una oscilación
sinusoidal [34].
Factor de perdida (𝑓): Es la razón entre el módulo perdido y el módulo
almacenado. Este factor es una medida de la energía perdida, expresada en
términos de la energía recuperable y representa el amortiguamiento
mecánico o fricción interna en el sistema visco-elástico. El factor de perdida
indica de manera proporcional el grado de no elasticidad de un polímero,
entre más grande sea 𝑓 mayor será el comportamiento no elástico del
material [34].
Frecuencia oscilatoria (𝜔): Representa la frecuencia de la oscilación
sinusoidal de la prueba y se establece como una variable que define el valor
o la magnitud de los módulos en a prueba DMA [34].
A partir de los parámetros anteriores se pueden establecer las siguientes expresiones
matemáticas características del DMA
𝐸∗ =𝜎𝐴휀𝐴
(9)
𝐸∗ = 𝐸′ 𝜔 2
+ 𝐸′′ 𝜔 2
(10)
𝐸′ 𝜔 = 𝐸∗ cos 𝛿 (11)
66
𝐸′′ 𝜔 = 𝐸∗ sen 𝛿 (12)
𝑓 = tan 𝛿 =𝐸′′ 𝜔
𝐸′ 𝜔 (13)
Los parámetros de DMA se presentan en función de la temperatura o el tiempo de la
prueba como se muestra a continuación
Figura 40. Diagrama esquemático de una curva DMA para un polímero
[34]
5.4.5.1. Factores de influencia
Al igual que la prueba DSC el DMA presenta ciertos factores de influencia que
determinan la calidad de los datos y la sensibilidad de la prueba. A continuación se
presenta la lista con los principales factores de influencia del DMA.
Tipo de carga: Al igual que los estudios de mecánica de materiales la prueba
DMA presenta diferentes tipos de análisis de carga, los cuales pueden ser de
tipo norma o cortante dependiendo de la dirección de la carga y de la
disposición geométrica de la muestra. El tipo de carga definirá el tipo de
instrumentos necesarios en el DMA (e.g. abrazaderas), las dimensiones de las
muestras, la forma de medición y el tipo de datos que se pueden obtener [34].
El DMA puede trabajar principalmente con cinco tipos de carga, las cuales se
enlistan a continuación
Tensión (esfuerzo normal)
Compresión (esfuerzo normal)
Cortante (esfuerzo cortante)
Flexión en voladizo (esfuerzo cortante)
Flexión de 3 puntos. (esfuerzo cortante/normal)
67
Sistema de sujeción: El sistema de sujeción es fundamental para el
desarrollo de la prueba dado que depende del tipo de carga que se está
estudiando, lo cual determinará a forma de medición de los datos y la
precisión de los resultados [42]. A continuación se presentan los diferentes
sistemas de sujeción para una prueba DMA
Figura 41. Sistema de sujeción para pruebas DMA. De izquierda a derecha: tensión,
compresión, cortante, flexión voladizo, flexión de 3 puntos
[42]
Geometría de las probetas: Para cada uno de los tipos de carga se define
una geometría específica de probeta en un rango determinado de
dimensiones, esto se debe tener en cuenta en la toma de datos dado que
esto influirá en el análisis de los resultados. De manera general, todas las
probetas tienen sección transversal cuadrada o rectangular, a excepción de
la prueba de compresión en la cual se usan probetas cilíndricas [42]. En la
siguiente tabla se presentan las dimensiones de las probetas requeridas
para las pruebas DMA
Tabla 12. Dimensiones de de las probetas para el DMA por tipo de carga
[42]
Tipo de carga Largo [mm] Ancho [mm] Espesor [mm] Diámetro [mm]
Tensión 5-30 ≤8 ≤2 -
Compresión 15-40 - - 10
Cortante Cuadrado de 10 mm ≤4 -
Flexión en voladizo 4-17.5 ≤15 ≤5 -
Flexión de 3 puntos 5-20 ≤15 ≤7 -
Frecuencia: A medida que la frecuencia aumenta, el tiempo permitido para el
movimiento molecular en los ciclos de acción de carga disminuye. En bajas
frecuencias las mediciones se tornan difíciles debido a que se requiere
mucho tiempo para completar un periodo; por otro lado, para altas
frecuencias el problema radica en las limitaciones de los instrumentos de
medición [35]. Para establecer la frecuencia del DMA se debe programar
68
frecuencias menores la frecuencia de resonancia de la probeta, de manera
general se usan frecuencias entre 0.001 y 200 Hz, siendo a frecuencia de 1
Hz la frecuencia estándar [34]. En algunos equipos DMA existe la posibilidad
de hacer barridos de frecuencia con el fin de ver la sensibilidad de las
mediciones y definir la frecuencia o el rango de frecuencias en las que se
pueden obtener los mejores resultados. En la siguiente figura se observa el
efecto de la frecuencia en las curvas DMA
Figura 42. Efecto del cambio de frecuencia en las curvas DMA
[35]
Temperatura: Al igual que en las pruebas de DSC, se debe programar una
tasa de calentamiento del sistema, esta tasa afectará la velocidad a la cual
se da la transición visco-elástica. En general se recomienda el uso de tasas
de calentamiento entre 1 y 5 ºC/min, aunque la velocidad de calentamiento
más usada es 3 ºC/min. Adicionalmente, también se recomienda usar tasas
de calentamiento aproximadamente igual al espesor de la probeta [34].
69
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
A partir de la metodología experimental presentada previamente se lograron obtener
los siguientes resultados para la caracterización térmica y análisis de propiedades
mecánicas de los polímeros PMMA y PVC espumado.
6.1. CARACTERIZACIÓN QUÍMICA
En la Figura 43 se muestran los espectros de infrarrojo obtenidos para el PMMA y el
PVC espumado con el equipo FTIR.
Figura 43. Espectro infrarrojo a. PMMA, b. PVC espumado
70
En las siguientes tablas se presentan las frecuencias y respectiva asignación para
cada polímero.
Tabla 13. Frecuencias y asignación para el espectro infrarrojo del PMMA
[43]
Frecuencia (cm-1) Asignación
750.7 𝐶𝐻2 𝑛 , 𝑛 ≥ 3
991 C-O-C
1119.2 C-O
1444.4 C-H del grupo 𝐶𝐻3 Deformación 𝐶𝐻3
1779.4 C=O
2842.6 𝑂 − 𝐶𝐻3
3003.4 C-H del grupo 𝐶𝐻2
C-H del grupo 𝐶𝐻3
3400< -OH
Tabla 14. Frecuencias y asignación para el espectro infrarrojo del PVC espumado
[43]
Frecuencia (cm-1) Asignación
616.3 C-Cl, isotáctico amorfo
(tg)tt(tg)
697.3 C-Cl, sindiotáctico amorfo
(tt)gg(tt)
966.4 𝐶𝐻2, cristalino
1253.9 CH, cristalino
1433.3 Deformación 𝐶𝐻2, amorfo
1732.1 Plastificante
2849.4 𝐶𝐻2, simétrico
2917.5 𝐶𝐻2, asimétrico
En el caso del PMMA se observa que la mayoría de frecuencias coinciden con los
valores reportados en la literatura, con lo que se puede identificar claramente la
composición química del polímero y su congruencia con la estructura molecular del
monómero de metil-metacrilato; adicionalmente, se puede considerar que el material
no presenta aditivos, dado que no hay picos de frecuencia fuera de los rangos
asociados al PMMA. El grupo hidroxilo que se observa en frecuencias superiores a
3400 cm-1 corresponde a porciones de agua que fueron absorbidas por el material.
Para el PVC espumado los valores obtenidos en las diferentes frecuencias son
congruentes con los datos reportados en la literatura con lo que se puede asegurar
que el material es un PVC. La presencia del plastificante se evidencia con el pico de
frecuencia de 1732.1 cm-1. Muchos de los plastificantes usados en el PVC son de la
familia de los ftalatos; no obstante, debido a la ausencia de anillos aromáticos
asociados a frecuencias superiores a 3070 cm-1 se puede afirmar que este tipo de
plastificantes no están presentes en el material. Teniendo en cuenta lo anterior se
71
realizó una comparación con los demás plastificantes de mayor uso considerando el
espectro infrarrojo obtenido, con lo cual se encontró que el plastificante con mayor
probabilidad de presencia en el material es el éster adipato, el cual se caracteriza por
contener enlaces del tipo C=O [44].
6.2. CARACTERIZACIÓN POR COMBUSTIÓN
A continuación se presentan las imágenes de las pruebas de combustión con base en
las normas ASTM para el PMMA y PVC espumado.
Figura 44. Combustión del PMMA
a. Posición horizontal, b. Posición Vertical
Figura 45. Extinción de la combustión del PVC espumado luego de retirar el mechero
a. Posición horizontal, b. Posición Vertical
72
Con respecto a la caracterización cualitativa, los datos obtenidos en las pruebas de
combustión se presentan en la siguiente tabla.
Tabla 15. Resultados cualitativos de la combustión del PMMA y el PVC espumado
Característica PMMA PVC espumado
Inflamabilidad
Requiere entre 5 y 15 segundos para entrar en combustión, arde en la llama, no es autoextinguible y presenta combustión lenta y violenta.
Requiere entre 1 y 2 segundos para entrar en combustión, arde en la llama; no obstante, es un material autoextinguible luego de que se retira el mechero.
Aspecto de llama
El cuerpo de la llama es totalmente amarillo y la base de esta presenta un color azul oscuro.
El cuerpo de la llama es totalmente amarillo y la base de esta presenta colores verde y azul claro.
Goteo Si No
Carbonización No Si
El carácter autoextinguible del PVC espumado se puede presentar por diversas
razones, en el caso de las espumas rígidas se da por la ausencia de plastificantes [3].
No obstante, como se encontró en las pruebas de infrarrojo el material con el cual se
está trabajando contiene plastificante. Los plastificantes en su mayoría sirven como
retardantes de llama; sin embargo, como se puede ver en la Tabla 4 la inflamabilidad
del material es alta dado que le toma menos de 2 segundos al polímero entrar en
combustión. Por este motivo se puede afirmar que aunque el PVC tiene un
plastificante la concentración de éste es muy baja, lo cual permite que no se vea
afectada la característica autoexinguible de las espumas rígidas.
El tiempo que tarda en iniciar la combustión del polímero se encuentra asociado a la
energía necesaria para llevar a cabo el proceso de pirolisis, en el cual el calor que se
le suministra a un material rompe los enlaces moleculares generando gases, estos al
entrar en contacto con el aire forman una mezcla combustible, la cual al estar cerca de
una fuente de ignición produce la reacción de combustión. Teniendo en cuenta esto.,
la energía asociada a la pirólisis se relaciona con la energía de los enlaces
moleculares de cada polímero. En las Tablas 5 y 6 se muestran los tipos de enlaces
de cada material, así como su energía y la cantidad presentes en la unidad
monomérica.
Tabla 16. Energía de enlaces del monómero de PMMA
[3]
Enlace Energía de enlace [Cal/mol] Cantidad
C-C 82600 3
C-H 98700 8
C-O 85500 2
C=O 177500 1
73
Tabla 17. Energía de enlaces del monómero de PVC
[3]
Enlace Energía de enlace [Cal/mol] Cantidad
C-C 82600 1
C-H 98700 3
C-Cl 81500 1
Como se observa en las tablas anteriores, la cantidad de enlaces es mayor en el
PMMA, además de que este polímero posee enlaces carbono-oxígeno los cuales
presentan una alta energía de enlace en comparación al enlace carbono-cloro
presente en el PVC. Por lo anterior, considerando que la llama del mechero transfiere
la misma energía a ambos materiales, el proceso de pirólisis requiere mayor tiempo en
el PMMA, dado que hay mayor número de enlaces los cuales cuentan con una alta
energía de unión covalente. Esto resulta en los tiempos obtenidos para el inicio de la
combustión presentados en la Tabla 15.
Para los dos polímeros se presenta un aspecto de llama muy similar, el color amarillo
en el cuerpo de la llama indica la presencia de carbono e hidrógeno en los materiales.
En el caso del PMMA, debido a la presencia de oxigeno en su estructura monomérica,
la base de la llama presenta un color azul oscuro. Por otro lado, el color verde en la
base de la llama del PVC espumado es un claro indicador de la presencia de
halógenos en el material, en este caso cloro.
La carbonización solo se presentó en el PVC espumado, esto indica que la
degradación del material se da muy rápidamente, haciendo que los procesos de
ruptura de enlace ocurran en periodos muy cortos de tiempo. El principal problema
con respecto a la carbonización es la pérdida de resistencia mecánica y estructural del
material, dado que las dimensiones del material se reducen, disminuyendo el área
transversal del mismo, lo que resulta en una reducción en la carga máxima que puede
soportar el elemento; esto afecta la integridad de la estructura lo que aumenta el
riesgo de colapso estructural y fractura de materiales a base de PVC espumado.
El fenómeno de goteo de material sólo se evidenció en la combustión de PMMA, como
resultado de este proceso el algodón ubicado en la base del montaje experimental
entró en un proceso de combustión. Luego de observar que el goteo del PMMA tenía
la capacidad de iniciar nuevos puntos de ignición, el algodón se retiró del montaje
dejando solo la base de papel craft, el cual también entró en combustión debido al
goteo de material como se muestra a continuación.
74
Figura 46. Combustión debido a goteo de PMMA
El goteo en las dos pruebas ASTM del PMMA generó combustión en los materiales de
la base del montaje experimental (algodón, papel cfrat); no obstante, en el caso de la
prueba en posición horizontal el goteo abarcaba una mayor área en relación con la
difusión de la llama, mientras que en las pruebas verticales el goteo se concentraba en
un solo punto; esto resultaba en un tiempo de combustión mayor para el papel craft.
Durante el desarrollo de las pruebas de combustión de PMMA se decidió hacer
mediciones experimentales con respecto al goteo de material, en este caso se tomó el
tiempo de goteo y la tasa de goteo del material tanto para la prueba horizontal como
vertical, los resultados obtenidos se presentan en las Tablas 18 y 19.
Tabla 18. Tiempo de inicio de goteo en pruebas de combustión de PMMA
Réplica Tiempo de inicio de goteo [s]
Horizontal Vertical
1 69.96 71.99
2 71.65 76.90
3 70.69 84.38
4 78.13 72.30
5 76.21 72.04
Media 73.33 75.52
Desviación estándar 3.62 5.37
Tabla 19. Tasa de goteo en pruebas de combustión de PMMA
Réplica Tasa de goteo [gotas/min]
Horizontal Vertical
1 15.0 24.0
2 12.0 24.0
3 9.6 19.2
4 10.0 16.0
5 9.6 28.8
Media 11.2 22.4
Desviación estándar 2.33 4.93
75
Como se muestra en la Tabla 18, la diferencia en el tiempo de inicio de goteo del
PMMA para la prueba horizontal y vertical es de 3%, esto indica que la orientación del
material no es un factor determinante en el tiempo de inicio de goteo. Lo anterior
sugiere que en una situación de incendio, elementos fabricados en acrílico pueden
entrar en un proceso de goteo en periodos de tiempo similares sin importar la
orientación de estos.
A diferencia del tiempo de inicio de goteo, la tasa de goteo sí se ve influenciada por la
orientación del material, en este caso se observa que la tasa de goteo de PMMA en
posición vertical es el doble que en posición horizontal. Esta diferencia se presenta
debido a que en la posición vertical la llama se desarrolla en la misma dirección en la
que se encuentra la lámina de polímero; esto hace que la llama tenga mayor contacto
con el material lo que resulta en una mayor tasa de ruptura de los enlaces
moleculares, haciendo que el material pase de un estado elástico a uno viscoso de
manera más rápida, logrando así que la tasa de goteo sea mayor.
En el caso de la caracterización cuantitativa de los polímeros, el PVC espumado al ser
un material autoextinguible presenta una extensión y velocidad de combustión de cero
(0). Por otro lado, para el PMMA, la extensión de combustión en todas las pruebas fue
máxima (75 mm), dado que en todos los casos la combustión alcanzaba la marca de
100 mm. Con respecto al tiempo de combustión se obtuvo en promedio 150.74
segundos en la prueba horizontal y 27 segundos en la prueba vertical, con una
desviación estándar de 12.26 segundos y 2.6 segundos respectivamente.
Con los valores de extensión y tiempo de combustión se determinó la velocidad lineal
de combustión del PMMA, en posición vertical se obtuvo una velocidad de 168.07
mm/min, mientras que para la posición horizontal la velocidad fue de 30.04 mm/min.
Con base en la resolución de los equipos de medición y la variación en los datos de
extensión y tiempo de combustión, la incertidumbre en la velocidad de combustión fue
de 16.07 mm/min para la posición vertical y 2.43 mm/min para la posición horizontal.
Los resultados de velocidad de combustión indican que la difusión de la llama es
mayor cuando ésta se encuentra en dirección paralela al material, como lo es el caso
de las probetas en posición vertical. Lo anterior implica que en una situación de
incendio la dinámica de la llama se verá afectada por la orientación en la que se
encuentre el material combustible, siendo la dirección vertical la orientación del
material que más favorece la difusión de la llama, llegando a presentarse una
velocidad lineal de combustión 5 veces mayor que en el caso de materiales en
posición horizontal como se puede observar en los datos obtenidos en las pruebas de
combustión ASTM.
6.3. CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC)
En la Figura 10 se muestran las curvas DSC para el PMMA y el PVC espumado.
76
Figura 47. Curvas DSC a. PMMA, b. PVC espumado
Con respecto a la curva DSC del PMMA, se observa que la transición vítrea se da a
83.18ºC; sin embargo, esta curva presenta un pico exotérmico a 114.83ºC y un pico
endotérmico a 235.98ºC, esto representa un comportamiento que no es normal en un
material como el PMMA, el cual es altamente amorfo. Por lo anterior, se considera que
los datos obtenidos en la prueba DSC para el PMMA presentan un error asociado al
equipo de medición; por este motivo la temperatura de transición vítrea del material se
establece a partir de la información reportada en la literatura, la cual corresponde a
105ºC [35]. La curva DSC del PVC espumado sí presenta un comportamiento normal,
por lo tanto la temperatura de transición vítrea del material se define en 78.61ºC. La
segunda temperatura que se observa en la curva corresponde a la temperatura de
manufactura del material que para este caso es de 118.59ºC [45].
77
Adicionalmente, debido a que la temperatura de transición vítrea del PVC es cercana a
la temperatura reportada en literatura (80ºC [43]) se puede afirmar que la
concentración de plastificante en el material es muy baja, dado que para este tipo de
polímeros el aumento en la concentración de plastificante reduce la temperatura de
transición vítrea. Con lo anterior se corrobora la afirmación presentada anteriormente
acerca del carácter autoextinguible del PVC debido a la baja cantidad de plastificante
presente en el material.
6.4. DENSIDAD DE HUMO
Mediante un análisis de imágenes se encontró que el fondo del lugar donde se llevó a
cabo las pruebas presentaba un grado de opacidad de 18.1%. Teniendo en cuenta
este valor se realizó el análisis de densidad de humo a partir de las grabaciones
realizadas para cada uno de los polímeros, en la siguiente figura se observa la
producción de humo en la combustión de los polímeros.
Figura 48. Producción de humo de la reacción de combustión a. PMMA, b. PVC espumado
Para este análisis se estableció el grado de opacidad promedio de las imágenes
recolectadas en función del tiempo como se observa en la Figura 49. Por otro lado, se
determinó el grado de opacidad para diferentes alturas, específicamente 0, 10, 20, 30
y 40cm, los resultados obtenidos se muestran en la Figura 50.
78
Figura 49. Grado de opacidad en función del tiempo para el PMMA y el PVC espumado
Figura 50. Grado de opacidad en función del tiempo en diferentes alturas
a. PMMA, b. PVC espumado
Con base en la Figura 49, se puede afirmar que el PVC espumado presenta un mayor
grado de opacidad que el PMMA. Ambos polímeros presentan comportamientos
diferentes con respecto a la producción de humo; en el caso del PMMA el máximo
grado de opacidad se logra a los 13 segundos, mientras que para el PVC se da a los
51 segundos. De manera particular, el PMMA presenta una disminución en el grado de
opacidad luego de alcanzar su máximo, estabilizándose en 7% de opacidad
aproximadamente; por otro lado, el PVC espumado presenta un aumento constante es
su opacidad, pero al igual que el PMMA se evidencia una disminución de su densidad
de humo luego de alcanzado el máximo de opacidad.
0 10 20 30 40 50 600
10
20
30
40
50
60
tiempo [s]
% d
e O
pacid
ad
PVC espumado
PMMA
a b
79
El alto grado de opacidad reportado para el PVC se asocia entre muchos factores al
tipo de combustión que presenta el material, en este caso carbonización, como se
observó en las pruebas ASTM. La carbonización genera residuos de carbón en la
superficie del material, estos residuos se presentan como partículas de diferentes
tamaños. En este caso las partículas más pequeñas pueden ser separadas de la
superficie del material y ser transportadas junto con los gases de combustión debido a
la generación de corrientes de aire producto del cambio de temperatura cerca a la
zona de combustión. El aumento de temperatura hace que cambie la densidad del aire
circundante promoviendo así el movimiento de las partículas hacia la parte superior del
compartimento. Con lo anterior, las partículas de carbón que viajen en estas corrientes
de aire generarán el aumento de la densidad del humo asociada a la combustión del
material.
En el caso de los perfiles de opacidad para diferentes alturas (Figura 50), se observan
valores de opacidad proporcionales a los reportados en la Figura 49. En este caso el
mayor grado de opacidad se logra a alturas más pequeñas, esto se debe a que en
estas regiones se dan las mayores concentraciones de humo debido a su cercanía a la
zona de combustión.
En los perfiles de altura para el PMMA se observa que después de los 30 segundos el
grado de opacidad es mayor en zonas más altas, esto se debe a que la cantidad de
humo producido en la reacción disminuye progresivamente después de los 13
segundos, lo cual hace que el grado de opacidad a bajas alturas se reduzca; por otro
lado, a alturas mayores el grado de opacidad presenta cierta estabilidad debido a que
estas zonas se encuentran muy cerca del techo del compartimento donde se
concentran los gases de combustión.
En una situación real de incendio, la cantidad de material combustible será mayor por
lo tanto la densidad de humo asociada a la combustión presentará valores más altos
debido a que la tasa de producción de humo será mayor. Adicionalmente, teniendo en
cuenta el tamaño y la ventilación del compartimento, el grado de opacidad irá
aumentando progresivamente a medida que se generen más gases de combustión, lo
cual afectará los procesos de evacuación y las acciones de rescate y control de la
emergencia.
Además de los problemas de visibilidad que puedan generar los gases de combustión,
también se debe considerar los riesgos para la salud asociados a los productos
generados en este tipo de reacciones. Como en la mayoría de combustibles a base de
hidrocarburos, las reacciones de combustión generan vapor de agua, dióxido de
carbono y monóxido de carbón, este último inhalado en concentraciones superiores al
60% en volumen produce la muerte; no obstante, en rangos entre 10 % y 50 % puede
generar problemas como disnea, alteraciones visuales, somnolencia, taquicardia,
convulsiones y coma [46].
En la combustión del PMMA se puede obtener como producto el monómero metil-
metacrilato en forma gaseosa, el cual en altas concentraciones genera irritación en la
membrana mucosa y en las vías respiratorias superiores; además de nauseas y
80
problemas de visión. Es por esto que se recomienda el uso de materiales a base de
acrílico en exteriores o zonas con buena ventilación [47].
En el caso del PVC espumado el riesgo es mayor dado que este polímero se
encuentra conformado cerca de 57% en peso por cloro; el cual al ser liberado en el
proceso de pirolisis se combina con hidrógeno para formar ácido clorhídrico. Éste al
ser soluble en agua se condensa en superficies húmedas como las vías respiratorias o
los ojos, generando así grandes daños a los órganos y tejidos expuestos a este
compuesto, el cual empieza a presentar problemas serios para la salud en
concentraciones superiores a 100 ppm. Por lo tanto, materiales como PVC espumado
deben ser ubicados en lugares con buena ventilación con el fin de promover la
circulación de aire disminuyendo así el grado de opacidad del compartimento y la
concentración de gases de combustión [48].
Adicionalmente, la liberación de cloro del PVC se asocia con el carácter
autoextinguible de este material. El cloro liberado suprime los procesos de combustión
debido a la combinación con hidrógeno. La rápida formación de ácido clorhídrico
reduce la concentración de hidrogeno, disminuyendo así el combustible disponible
para llevar a cabo la reacción, lo que resulta en la extinción de la llama [3].
6.5. ANÁLISIS TÉRMICO INFRARROJO
Debido a que la cámara infrarroja usada para las mediciones está diseñada
principalmente para análisis térmico de superficies, la máxima temperatura que reporta
es 100ºC; por lo tanto los perfiles de temperatura se encuentran acotados en este
valor.
En la siguiente figura se puede observar el cambio de temperatura en los materiales
debido a la combustión.
81
Figura 51. Termografías infrarrojas de la combustión
a. PMMA, b. PVC espumado
Figura 52. Perfiles de temperatura por medición infrarroja
a. PMMA, b. PVC espumado
a
b
ºC
ºC
82
Como se puede ver en la Figura 52 los perfiles de temperatura son muy similares para
el PMMA y el PVC espumado. En estos perfiles se presentan dos regiones, la primera
entre 0 y 5 segundos en la cual no se evidencia un aumento significativo de
temperatura, y la segunda después de 5 segundos en la cual se observa un aumento
casi lineal de temperatura. Por lo tanto, aproximando el comportamiento de los perfiles
a un modelo lineal se encuentra que la tasa de calentamiento para el PMMA es de
3.28ºC/s y la del PVC espumado es de 2.71ºC/s.
Lo anterior se relaciona con la conductividad térmica de los polímeros ya que el PMMA
posee una conductividad de 0.17 W/mK, mientras que el PVC tiene una conductividad
de 0.12 W/mK [43], esto evidencia que el PMMA presenta una menor resistencia en la
transferencia de calor logrando así una mayor tasa de calentamiento.
Por otro lado, los calores de combustión de los polímeros son muy diferentes dado que
para el PMMA y el PVC se reporta una energía de combustión de 11475 BTU/lb y
8175 BTU/lb respectivamente [3]. Esto indica que el PMMA libera mayor energía en la
reacción de combustión, lo que resulta en un mayor aumento de temperatura. En el
caso de PVC, aparte de que el calor de combustión no permite un gran aumento de
temperatura, su bajo valor de energía por unidad de masa se relaciona con su carácter
autoextinguible, dado que no permite que la reacción de combustión sea
autosostenible; es decir que la energía liberada en un proceso de combustión no es
suficiente para iniciar otra reacción del mismo tipo.
En la Figura 53 se evidencia la alta temperatura que presenta el material de PMMA
que gotea.
Figura 53. Imagen infrarroja del fenómeno del goteo durante la combustión del PMMA
Para este caso el proceso de goteo inicio a los 3 minutos, esto representa 2.5 veces el
tiempo obtenido en las pruebas estándar ASTM en posición horizontal. Este aumento
en el tiempo de inicio de goteo se debe a que la sección transversal del material en
esta prueba es casi 8 veces mayor que en las pruebas ASTM. Esto que indica que la
longitud de la sección transversal de la muestra es proporcional al tiempo de inicio de
goteo. Esta relación se presenta debido a que las láminas más grandes de polímero
tienen mayor número de enlaces, y como se explicó previamente en el caso del
PMMA, el debilitamiento y ruptura de estos enlaces requiere mayor energía lo que
resulta en un mayor tiempo de inicio de goteo.
ºC
83
Con base en lo anterior, el PMMA resulta ser un material que presenta un alto riesgo
en relación a la probabilidad de quemadura que puede sufrir una persona y la
posibilidad de iniciar nuevos puntos de ignición debido al goteo del material. Por esto
es recomendable evitar usar este tipo de materiales en rutas de acceso y salidas de
emergencia; además de procurar no colocar materiales que sean combustibles (e.g
madera) cerca de elementos a base de PMMA.
6.6. ANÁLISIS DINÁMICO-MECÁNICO (DMA)
En las siguientes figuras se muestran las curvas del DMA para las pruebas de tensión
y flexión de cada polímero.
Figura 54. Curvas DMA para el PMMA
a. Tensión, b. Flexión
84
Figura 55. Curvas DMA para el PVC espumado
a. Tensión, b. Flexión
En la curva de flexión del PVC, se observa que la temperatura de transición vítrea es
de 77.13ºC lo cual representa una diferencia de 1.88% con respecto al valor obtenido
en la prueba DSC; por lo tanto se puede afirmar que los esfuerzos de flexión no
afectan la temperatura de transición vítrea del PVC. Suponiendo que la anterior
afirmación se puede aplicar también para el PMMA se encuentra que existe una
diferencia del 4.3% entre la transición vítrea de la prueba de flexión y el valor definido
a partir de la literatura.
Aunque la transición vítrea es un indicador del cambio elástico-viscoso el máximo
grado de comportamiento viscoso se alcanza cuando el factor de pérdida del material
llega a su máximo, para el PMMA esto se logra a los 128.74ºC en tensión y a los
85
120.43ºC en flexión, mientras que para el PVC espumado se da a 102.59ºC en tensión
y 84.23ºC en flexión. Esto se relaciona con el comportamiento mecánico del material a
temperatura ambiente, el PMMA al ser un material frágil tiene una componente elástica
más grande por lo que es necesario una mayor temperatura para lograr un
comportamiento completamente viscoso. Por otro lado, el PVC espumado es un
material dúctil por lo tanto su componente elástica es más pequeña, por este motivo la
temperatura necesaria para tener un comportamiento viscoso es mucho menor.
Con base en lo anterior, resulta necesario definir ciertas restricciones con respecto al
uso de estos materiales en estructuras con el fin de reducir la probabilidad de colapso
estructural en una situación de incendio. Estas restricciones deben estar orientadas al
rol que cumple el material en la estructura y las cargas a la cual será sometido. Con
esto se puede definir los materiales que pueden ser usados de acuerdo a las
necesidades requeridas y en qué casos es necesario el uso de soportes adicionales
para garantizar la integridad de la estructura.
86
7. CONCLUSIONES
El PVC espumado al ser un material autoextinguible presenta una velocidad lineal de
combustión de cero, mientras que el PMMA tiene velocidad de combustión de
168.07±16.07 mm/min en posición vertical y 30.04±2.43 mm/min en posición
horizontal. Esto evidencia que la orientación del material es un factor que puede
afectar la dinámica del incendio.
El PMMA es un material con combustión autosostenible y que presenta procesos de
goteo, el cual depende de factores tales como la orientación del material y el área
transversal expuesta a la llama. Por otro lado, el PVC espumado es un material
autoextinguible, dicha característica se asocia a una baja concentración de
plastificante, la alta producción de ácido clorhídrico y su baja energía de combustión;
adicionalmente, este material presenta carbonización en su superficie lo que afecta su
resistencia estructural y aumenta su densidad de humo por el transporte de partículas
de carbón en los gases de combustión.
El PVC espumado presenta una menor resistencia a fuego debido a que las moléculas
que conforman sus estructura polimérica presentan una menor energía de enlace, esto
genera que el tiempo para llevar a cabo el proceso de pirólisis sea menor en
comparación al tiempo necesario en el PMMA; por este motivo el tiempo de inicio de
combustión para el PVC es 7.5 veces menor que para el PMMA.
En los polímeros termoplásticos, características como su ordenamiento molecular y su
comportamiento mecánico a temperatura ambiente pueden ser indicativos de la
respuesta que tendrá este material a altas temperaturas. Lo anterior genera que el
tiempo necesario para que se dé una transición elástico-viscoso completa difiera para
cada polímero; obteniendo un mayor tiempo en materiales frágiles como el PMMA.
Se logró hacer una caracterización térmica de los polímeros termoplásticos PMMA y
PVC, evaluando su respuesta en procesos de combustión y relacionando la
información obtenida con características moleculares y químicas. Adicionalmente, se
observó un cambio significativo en las propiedades mecánicas de estos materiales, lo
cual permite identificar los posibles riesgos asociados a la integridad de la estructura.
Resulta necesario establecer pruebas de clasificación de materiales adicionales a las
ya definidas en normativas nacionales, que permitan evaluar la resistencia y respuesta
al fuego desde diferentes perspectivas, logrando así definir restricciones en el uso de
materiales en aplicaciones estructurales, con lo que se pude minimizar los daños y
consecuencias asociados a incendios de tipo estructural.
87
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