Fricción
La fricción es la fuerza opuesta que se desarrolla cuando dos superficies se mueven una respecto a la otra. Básicamente hay dos propiedades de fricción que presenta cualquier superficie; la fricción estática y la fricción cinética. Las gamas de propiedades de fricción son bastante amplias. Las propiedades de fricción de los plásticos son importantes en aplicaciones como los productos de maquinaria y en aplicaciones de deslizamiento como las correas y las unidades estructurales como las puertas correderas. En las aplicaciones de fricción sugeridas, así como en muchas otras, hay áreas importantes que conciernen a su enfoque de diseño.
Comienza en la selección y modificación del plástico para proporcionar alta o baja fricción según lo requiera la aplicación. También se determina la geometría requerida para suministrar el nivel de fuerza de fricción necesario, controlando el área de contacto y la calidad de la superficie para proporcionar el nivel de fricción. Un factor de control que limita cualquier aplicación de fuerza de fricción es la disipación de calor. Esto es cierto si la aplicación de las cargas de fricción es un proceso continuo o un proceso repetitivo con un alto ciclo de trabajo. El uso de estructuras de refrigeración, ya sea incorporadas a los productos o mediante el uso de dispositivos de refrigeración externos, como refrigerantes o flujo de aire, debe ser una consideración de diseño. Para un diseño exitoso, el calor generado por la fricción debe disiparse tan rápido como se genera para evitar el sobrecalentamiento y el fracaso.
La relación entre la fuerza normal y la fuerza de fricción se utiliza para definir el coeficiente de fricción estática. El coeficiente de fricción es la relación entre la fuerza necesaria para iniciar el movimiento de fricción de una superficie contra otra y la fuerza que actúa perpendicularmente a las dos superficies en contacto. Los coeficientes de fricción variarán para un plástico concreto desde el valor justo al inicio del movimiento hasta el valor que alcanza en movimiento. El coeficiente depende de la superficie del material, ya sea rugosa o lisa. Estas y otras variaciones hacen que sea necesario realizar pruebas cuidadosas para una aplicación que dependa de las características de fricción de los plásticos. Sin embargo, una vez definidas las características de fricción, son estables para un material concreto fabricado con un método prescrito.
Las características a nivel molecular que crean las fuerzas de fricción son las fuerzas de atracción intermolecular de la adhesión. Si los dos materiales que componen las superficies de deslizamiento en contacto tienen un alto grado de atracción entre sí, el coeficiente de fricción es alto. Este efecto se ve modificado por las condiciones de la superficie y las propiedades mecánicas de los materiales. Si el material es rugoso, se produce una interacción mecánica de bloqueo que se suma al efecto de fricción. El deslizamiento en estas condiciones realmente rompe el material y la resistencia al cizallamiento del material es un factor importante en las propiedades de fricción. Si la superficie es pulida y lisa, el factor que rige las condiciones de la superficie es la cantidad de área de contacto entre las superficies. En una condición de contacto de gran superficie y buena adherencia, el coeficiente de fricción es alto ya que hay un contacto íntimo de la superficie. Es posible mediante la adición de materiales superficiales que tienen una alta adherencia aumentar el coeficiente de fricción.
Si una o ambas superficies en contacto tienen un módulo de compresión bajo es posible hacer un contacto íntimo entre las superficies que dará lugar a altas fuerzas de fricción en el caso de los plásticos que tienen buena adherencia. Las fuerzas de fricción pueden aumentar de otra manera. El desplazamiento del material frente al objeto en movimiento añade un elemento mecánico a las fuerzas de fricción.
En cuanto a la contaminación de la superficie, si ésta está cubierta por un material que impide que actúen las fuerzas de adhesión, el coeficiente se reduce. Si el material es un líquido, que tiene una baja viscosidad de cizallamiento, existe la condición de deslizamiento lubricado donde las características del líquido controlan la fricción en lugar de las características de fricción de la superficie de los plásticos.
El uso de plásticos para engranajes y cojinetes es el área en la que las características de fricción han sido examinadas con más cuidado. Por ejemplo, los plásticos altamente polares como los nylons y los poliésteres TP tienen, como resultado de las fuerzas superficiales en el material, una adhesión relativamente baja para ellos mismos y para superficies deslizantes como el acero. Los plásticos laminados son excelentes engranajes y cojinetes. El coeficiente de fricción típico de estos materiales es de 0,1 a 0,2. Cuando se moldean por inyección (IM), la piel que se forma cuando el plástico se enfría contra el molde tiende a ser más dura y suave que una superficie cortada, por lo que el producto moldeado presenta una menor fricción de deslizamiento y es excelente para este tipo de aplicaciones. Un buen diseño para este tipo de aplicación es hacer las superficies tan lisas como sea posible sin hacerlas lisas como el cristal, lo que tiende a aumentar la intimidad del contacto y a aumentar la fricción por encima de la de una superficie fina.
Para reducir la fricción, existen lubricantes que disminuyen la fricción y ayudan a eliminar el calor. Se utilizan mezclas de materiales aditivos ligeramente incompatibles como el aceite de silicona en un plástico IM. Después de la IM, el aditivo migra a la superficie del producto y actúa como una fuente renovable de lubricante para el producto. En el caso de los cojinetes se lleva aún más lejos haciendo que el plástico del cojinete sea poroso y rellenándolo con un material lubricante de manera similar a los cojinetes de metal sinterizado, el grafito, y el sulfuro de molibdeno también se incorporan como lubricantes sólidos.
Los rellenos se pueden utilizar para aumentar la conductividad térmica del material como las fibras de vidrio y metal. El filtro puede ser un material como el plástico PTFE (politetrafluoroetileno) que tiene un coeficiente de fricción mucho más bajo y el material expuesto a la superficie reducirá la fricción.
Con las puertas deslizantes o las cintas transportadoras que se deslizan sobre superficies de apoyo se encuentra un tipo diferente de aplicación de baja fricción o baja resistencia. Las fuerzas normales son generalmente pequeñas y los problemas de carga de fricción son del tipo de adherencia. Algunos plásticos presentan superficies excelentes para este tipo de aplicaciones. El PTFE (tetrafluoroetileno) tiene el coeficiente más bajo de todos los materiales sólidos y representa una de las superficies más resbaladizas que se conocen. El mayor problema del PTFE es que su resistencia a la abrasión es baja, por lo que la mayoría de las aplicaciones utilizan composiciones rellenas con materiales de relleno cerámicos para mejorar la resistencia a la abrasión.
Además del PTFE en la reducción de la fricción utilizando materiales sólidos, así como películas y recubrimientos, existen otros materiales con excelentes propiedades para el deslizamiento superficial. El polietileno y las poliolefinas en general tienen una baja fricción superficial, especialmente contra superficies metálicas. El UHMWPE (polietileno de ultra alto peso molecular) tiene una ventaja añadida, ya que tiene una resistencia a la abrasión mucho mayor y es el preferido para aplicaciones de transporte y aplicaciones que impliquen el deslizamiento de materiales sobre el producto. En la industria textil los productos de telar también utilizan mucho este material porque puede manejar los efectos del paso del hilo y la fibra sobre la superficie con una baja fricción y un desgaste relativamente bajo.
Hay aplicaciones donde las altas fricciones tienen aplicaciones como en las superficies de torsión en embragues y frenos. Algunos plásticos como los poliuretanos y las composiciones vinílicas plastificadas tienen coeficientes de fricción muy altos. Estos materiales constituyen excelentes superficies de tracción para productos que van desde las correas de transmisión hasta los rodillos de accionamiento, donde el plástico acciona o es accionado por otro miembro. Las cintas transportadoras de nylon orientado y tejidos están recubiertas con compuestos de elastómero de poliuretano para proporcionar tanto la tracción como para mover los objetos transportados en pendientes bastante pronunciadas debido a la alta fricción generada. Los rodillos de accionamiento para mover el papel a través de las prensas de impresión, las copiadoras y las máquinas de negocios están frecuentemente cubiertos con uretano o vinilo para actuar como los miembros de accionamiento con un mínimo deslizamiento.