Aplicación del método del trabajo esencial de fractura al estudio de films de polipropileno y de copolímeros propileno-etileno en bloques
Authors:   , Ferrer Balas Dídac 
Published: October 2023

En aquest treball, es presenta l'estudi de les propietats de fractura de films de polipropilè (PP) i copolímers etilè-propilè en blocs (EPBC) per mitjà de la tècnica del Treball Essencial de Fractura (EWF). Aquesta tècnica es mostra com una alternativa molt adapatada per a l'aplicació de la Mecànica de la Fractura a films dúctils, i permet separar l'energia total de fractura en un terme essencial, que fa referència al treball real de fractura, i un terme no essencial, relatiu a la dissipació d'energia de deformació plàstica al voltant del camí de fractura.<br/>En una primera part, s'estudien les condicions òptimes d'assaig de la técnica EWF per aplicar-la a films de polímers dúctils, analitzant la influència de variables d'assaig com són les dimensions de la proveta, la velocitat d'assaig o el mode de fractura.<br/>En una segona part, s'ha estudiat la relació entre els paràmetres de fractura obtinguts mitjançant la tècnica EWF i diferents propietats referents a l'estructura del material. Entre aquestes, s'ha analitzat la influència de les característiques cristal·lines, modificades per un procés de recuit previ als assajos, i del contingut d'etilè a diferents temperatures d'assaig. S'han aplicat nombroses tècniques de caracterització tant mecàniques i de fractura com físico-químiques.<br/>Els resultats mostren que el mètode EWF s'adapta bé a la necessitat de caracteritzar la fractura de films polimèrics, i permet estudiar la relació entre la seva estructura i les propietats de fractura que presenten. Alhora, es plantegen diferents modificacions del mètode que permeten potenciar les seves possibilitats. S'observa que al millorar la perfecció cristalina dels materials estudiats, el terme essencial augmenta en detriment del terme no essencial. També es demostra que la presència d'etilè en els EPBC minimitza la gran dependència que presenten les propietats de fractura del PP homopolímer en variar la temperatura, i es relaciona aquest comportament amb els canvis dels mecanismes de deformació predominants en el material.

En este trabajo, se presenta el estudio de las propiedades de fractura de films de polipropileno (PP) y copolímeros etileno-propileno (EPBC) por medio de la técnica del Trabajo Esencial de Fractura (EWF). Esta técnica se muestra como una alternativa muy adaptada para la aplicación de la Mecánica de la Fractura en films dúctiles, y permite separar la energía total de fractura en un término esencial, que hace referencia al trabajo real de fractura, y un término no esencial, relativo a la disipación de energía de deformación plástica alrededor del camino de fractura.<br/>En una primera parte, se estudian las condiciones óptimas de ensayo de la técnica WF para aplicarla a films de polímeros dúctiles, estudiando la influencia de variables de ensayo como son las dimensiones de probeta, la velocidad de ensayo o el modo de fractura.<br/>En una segunda parte, se ha estudiado la relación entre los parámetros de fractura obtenidos mediante la técnica EWF y distintas propiedades referentes a la estructura del material. Entre éstas, se ha analizado la influencia de las características cristalinas, modificadas por un proceso de recocido previo a los ensayos, y del contenido de etileno a diferentes temperaturas de ensayo. Se han aplicado numerosas técnicas de caracterización, tanto mecánicas y de fractura como físico-químicas.<br/>Los resultados muestran que el método EWF se adapta bien a la necesidad de caracterizar la fractura de films poliméricos, y permite estudiar la relación entre su estructura y las propiedades de fractura que presentan. También se plantean diferentes modificaciones del método que permiten potenciar sus posibilidades. Se observa que al mejorar la perfección cristalina de los materiales estudiados, el término esencial aumenta en detrimento del término no esencial. También se demuestra que la presencia de etileno en los EPBC minimiza la gran dependencia que presentan las propiedades de fractura del PP homopolímero al variar la temperatura, y se relaciona este comportamiento con los cambios de los mecanismos de deformación predominantes en el material.

In this work, the study of the fracture properties of polypropylene (PP) and ethylene-propylene block copolymers (EPBC) films by means of the Essential Work of Fracture (EWF) method is presented. This method is considered as a suitable alternative for applying Fracture Mechanics to ductile films, allowing the separation of the total fracture energy into two different items: an essential term, related to the actual fracture work, and a non essential term, related to the plastic deformation energy dissipation occurring in the region surrounding the fracture path.<br/>In a first part, the optimal EWF method test conditions for ductile plastic films are studied, by analysing the influence of such test variables as the specimen dimensions, the test rate or the fracture mode.<br/>In a second part, the relationship between the fracture parameters obtained by applying the EWF method and different materials structural properties are studied. Among these properties, the influence of the crystalline characteristics, modified by an annealing process before the tests, and that of the ethylene content at different test temperatures have been analysed.<br/>Various mechanical, fracture and physico-chemical characterisation techniques have been applied.<br/>The results show that the EWF method is very suitable to assess the fracture of polymeric films, and therefore to study the relationship between their structure and the fracture properties that they present. In addition, various modifications of the method are proposed in order to improve its possibilities.<br/>It is observed that as the crystalline perfection grows, the essential term increases but the non-essential term decreases. It is also shown that the ethylene presence in the EPBC minimises the strong temperature dependence shown by the fracture properties of the PP homopolymer. This behaviour is related to the predominant deformation mechanisms in the material.

Cet ouvrage présente l'étude des propriétés de rupture de films de polypropylène (PP) et de copolymères éthylène-propylène en blocs (EPBC) par moyen de la methode du Travail Essentiel de Rupture (EWF). Cette technique se révèle comme une alternative très adaptée à l'application de la Mécanique de la Rupture aux films ductiles, et permet la séparation de l'énergie totale de rupture en un terme essentiel, qui fait référence au travail réel de rupture, et en un terme non essentiel, relatif à la dissipation d'énergie de déformation plastique autour du chemin de rupture.<br/>Dans une première partie, les conditions optimales d'essai de la technique EWF pour l'application aux polymères ductiles sont étudiées, tout en analysant l'influence de variables d'essai telles que les dimensions de l'éprouvette, la vitesse de l'essai, ou le mode de rupture. <br/>La deuxième partie est consacrée à l'étude de la relation entre les paramètres de rupture obtenus par la méthode EWF et différentes propriétés de la structure du matériau. Parmis celles-ci, nous avons analysé l'influence des caractéristiques cristallines, modifiées par un processus de recuit préalable aux essais, et de l'effet du contenu en éthylène à différentes températures d'essai. Plusieurs techniques de caractérisation, aussi bien mécaniques, que de rupture, que physico-chimiques ont été utilisées.<br/>Les résultats montrent que la méthode EWF est très adaptée à la caractérisation de la rupture de films de polymères, et permet d'étudier la relation entre leur structure et leurs propriétés de rupture. Nous présentons, aussi, différentes approches modifiées de la technique EWF qui permettent d'accroître son potentiel. Il est observé que, quand la perfection cristalline des matériaux étudiés augmente, le terme essentiel augmente lui aussi, mais le terme non essentiel présente une tendance opposée. De même, il est démontré que la présence d'ethylène dans les EPBC a un effet de minimisation de l'importante dépendence que le PP homopolymère présente vis-à-vis de la température, et ce comportement est relié aux changements des mécanismes de déformation prédominants dans le matériau.