El módulo de Young de los plásticos comunes sin refuerzo oscila entre 0.15 y 4.20 GPa . Un valor más alto indica que el material es menos propenso a sufrir deformación elástica bajo la misma carga, mientras que un valor más bajo generalmente indica que el material se dobla con mayor facilidad.
Sin embargo, el módulo de elasticidad de un plástico no es un valor fijo. Incluso dentro de la misma familia de materiales, puede variar según el grado, la temperatura, el contenido de humedad, la cristalinidad y la dirección de moldeo. Este artículo compara los valores típicos del módulo para plásticos comunes y explica los métodos de ensayo, los factores que influyen en él y su función práctica en el diseño de piezas de plástico.
1. Comparación del módulo de elasticidad de plásticos comunes
Los siguientes valores representan datos típicos para grados comunes sin refuerzo a aproximadamente 23 °C. PA6 y PA66 se muestran en estado seco, mientras que PVC-U se refiere a PVC rígido no plastificado.
| Material | Rango del módulo de Young (GPa) | Módulo de Young típico (GPa) | Densidad (g / cm³) | Módulo específico E/ρ (10⁶ m²/s²) |
| LDPE | 0.15-0.35 | 0.25 | 0.92 | 0.27 |
| HDPE | 0.80-1.50 | 1.10 | 0.95 | 1.16 |
| PP | 1.20-1.80 | 1.60 | 0.90 | 1.78 |
| ABS | 1.80-2.60 | 2.20 | 1.05 | 2.10 |
| PC | 2.20-2.60 | 2.40 | 1.20 | 2.00 |
| PMMA. | 2.40-3.30 | 3.05 | 1.19 | 2.56 |
| PA6 (seco) | 2.70-3.50 | 3.40 | 1.13 | 3.01 |
| PA66 (seco) | 2.80-3.30 | 3.10 | 1.13 | 2.74 |
| POM | 2.60-3.10 | 2.90 | 1.41 | 2.06 |
| PET | 2.00-3.00 | 2.40 | 1.38 | 1.74 |
| PBT | 2.30-2.70 | 2.40 | 1.30 | 1.85 |
| PVC tu | 2.40-4.10 | 3.00 | 1.40 | 2.14 |
| PPS | 3.50-4.20 | 4.00 | 1.35 | 2.96 |
| OJEADA | 3.60-4.00 | 4.00 | 1.30 | 3.08 |
Cómo interpretar los rangos del módulo
Un plástico no tiene un módulo de elasticidad universal. Los plásticos de uso general, los modificados para impactos, los ignífugos y los rellenos utilizan formulaciones diferentes, por lo que su rigidez también varía. El rango refleja las diferencias entre los tipos comunes, mientras que el valor típico sirve para una comparación rápida.
2. ¿Cuál es el módulo de elasticidad del plástico?
El módulo de elasticidad de un plástico, también conocido como módulo de Young, mide la resistencia del material a la deformación elástica. Describe la facilidad con la que un material se deforma al aplicarle una tensión dentro de su rango elástico. Un módulo más alto indica que el material es más resistente a la deformación, mientras que un módulo más bajo significa que se dobla o estira con mayor facilidad.
Esfuerzo, deformación y módulo de Young
El módulo de Young de un plástico se deriva de dos mediciones básicas en un ensayo de tracción: la tensión y la deformación.
La tensión indica cuánta carga soporta el material. Se calcula de la siguiente manera:
La deformación indica la deformación proporcional del material bajo carga. Se calcula de la siguiente manera:
El módulo de Young se calcula de la siguiente manera: 
En una curva de tensión-deformación, el módulo de Young corresponde a la pendiente de la región elástica inicial. Cuanto mayor sea la pendiente, más difícil será estirar el material. Una vez que la carga supera el límite elástico, el material entra en la región de deformación plástica. La deformación resultante ya no se puede recuperar por completo, y el módulo de Young no se calcula a partir de esta parte de la curva.
¿Qué significan módulo alto y módulo bajo?
Un material de alto módulo se deforma menos bajo la misma carga, lo que lo hace adecuado para soportes, engranajes y carcasas de precisión. Un material de bajo módulo se dobla con mayor facilidad y puede ser más apropiado para conexiones flexibles o estructuras que requieren movimiento elástico.
Un módulo de elasticidad más alto solo significa mayor rigidez. No implica necesariamente mayor resistencia. Por ejemplo, el PMMA generalmente tiene un módulo de elasticidad más alto que el PC, pero el PC suele ser mucho más resistente a los impactos.
3. ¿Por qué un mismo plástico puede tener diferentes valores de módulo elástico?
Grado y formulación del material
La copolimerización, la modificación del impacto, los retardantes de llama, los rellenos minerales y el refuerzo con fibra de vidrio pueden alterar el módulo de elasticidad de un plástico. Por lo tanto, las comparaciones de datos deben basarse en el grado específico y no solo en el nombre del polímero.
Temperatura y contenido de humedad
La mayoría de los plásticos se ablandan a medida que aumenta la temperatura, por lo que los valores del módulo a temperatura ambiente no pueden representar directamente el rendimiento a altas temperaturas.
El PA6 y el PA66 también son sensibles a la humedad. Por ejemplo, el PA6 Ultramid® Vision B3K UN de BASF, sin refuerzo , tiene un módulo de elasticidad a la tracción de 3.1 GPa en seco, pero solo de 1.0 GPa después del acondicionamiento. Esto demuestra que la absorción de humedad puede reducir significativamente la rigidez de las piezas de nailon.
Cristalinidad
Los plásticos semicristalinos como el PP, PA, POM, PBT y PEEK se ven afectados por la cristalinidad. La temperatura del molde, la velocidad de enfriamiento y el espesor de la pared de la pieza pueden modificar la estructura cristalina, por lo que el rendimiento de una muestra de prueba estándar puede diferir del de una pieza moldeada por inyección real.
Velocidad de deformación y condiciones de prueba
Los plásticos son viscoelásticos. Por lo tanto, diferentes velocidades de carga, temperaturas de ensayo, condiciones de la muestra y rangos de cálculo del módulo pueden producir resultados diferentes.
Condiciones de moldeo por inyección y dirección de moldeo
Durante el moldeo por inyección , las cadenas de polímero y las fibras de vidrio tienden a alinearse con la dirección del flujo del material fundido, lo que provoca que el módulo elástico varíe según la dirección. Por lo tanto, la posición de la compuerta, la trayectoria del flujo y las condiciones de enfriamiento pueden afectar la rigidez de la pieza y también aumentar el riesgo de deformación o alabeo.
4. ¿Cómo se mide el módulo de elasticidad del plástico?
Ensayos de tracción según las normas ASTM D638 e ISO 527
En un ensayo de tracción, una muestra con forma de mancuerna se estira gradualmente mientras se registra la curva de tensión-deformación. A partir de la parte inicial de la curva, se calcula el módulo de Young, que es el módulo de Young que se analiza en este artículo.
ASTM D790 Prueba de flexión
En un ensayo de flexión, una muestra rectangular se apoya en dos puntos y se carga desde el centro para determinar su módulo de flexión. Este método es más adecuado para comparar paneles, carcasas y estructuras tipo viga, pero el módulo de flexión no debe usarse indistintamente con el módulo de tracción.
La norma ASTM D638 se utiliza para medir las propiedades de tracción de los plásticos reforzados y no reforzados, mientras que la norma ASTM D790 utiliza un método de carga de tres puntos para evaluar las propiedades de flexión.
Análisis Mecánico Dinámico
El análisis mecánico dinámico mide cómo cambian el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdida con la temperatura o la frecuencia. Es más útil para evaluar plásticos sometidos a vibraciones, temperaturas elevadas o cargas cíclicas.
5. Aplicaciones prácticas del módulo de elasticidad en el diseño de piezas de plástico
Ajustes a presión
Un ajuste a presión debe doblarse durante el montaje y recuperar su forma original posteriormente. Si el módulo de elasticidad es demasiado bajo, la pieza podría carecer de la fuerza de recuperación o la retención necesarias. Si el módulo de elasticidad es alto, pero la deformación admisible es limitada, podrían producirse decoloración o agrietamiento.
En una ocasión, utilizamos el análisis del módulo de elasticidad para ayudar a un cliente a resolver un problema de ajuste a presión en la carcasa de un dispositivo electrónico.
El diseño original utilizaba ABS, con una longitud de brazo de cierre de 16 mm, un grosor de 1.8 mm y una deflexión de montaje de 1.6 mm. Durante el montaje de prueba, el cierre resultó difícil de colocar y apareció un blanqueamiento en la base. Según un cálculo de viga en voladizo, la deformación original en la base era de aproximadamente el 1.7 %, mientras que la fuerza de montaje teórica era de unos 10 N.
A continuación, aumentamos la longitud del brazo del broche a 22 mm, redujimos su grosor a 1.5 mm, ampliamos el radio de la raíz de R0.4 a R1.0 y ajustamos el ángulo de socavado y de entrada. Tras la optimización, la deformación teórica se redujo a aproximadamente un 0.7 % y la fuerza de ensamblaje disminuyó a unos 2.3 N. El broche se pudo ensamblar sin problemas, recuperó su forma normal y ya no presentó decoloración.
RJC Mold puede revisar el grado del material, la deflexión del ensamblaje y la estructura 3D durante el análisis DFM antes de la fabricación del molde, lo que ayuda a reducir los ajustes a presión que son demasiado rígidos, no se recuperan o se agrietan durante las pruebas del molde.
Soportes y estructuras en voladizo
La deflexión del soporte depende del módulo de elasticidad del material, el espesor de la pared, la luz y la posición del apoyo. Añadir nervaduras o aumentar la altura de la sección suele ser más eficaz que un ligero incremento del módulo de elasticidad del material.
Engranajes y piezas de transmisión
Cuando el módulo de elasticidad del material es demasiado bajo, los dientes de los engranajes pueden deformarse elásticamente, lo que afecta la precisión del engranaje y la distribución de la carga. El POM ofrece buena estabilidad dimensional; el PA proporciona resistencia al desgaste, pero su rigidez cambia tras la absorción de humedad; el PEEK funciona bien a altas temperaturas, aunque es considerablemente más caro.
Soportes para tornillos y características de montaje
El módulo de elasticidad afecta la deformación tras el apriete del tornillo y la retención de la fuerza de sujeción. Sin embargo, también deben controlarse el espesor de la pared del saliente, las dimensiones del orificio, la interferencia de la rosca y los radios de la raíz.
Carcasas y paneles
Si el material de la carcasa tiene un módulo insuficiente, el prensado puede provocar hendiduras localizadas, apertura de juntas o ruido durante el montaje. Las nervaduras, las bridas, las superficies curvas y los soportes internos suelen ser más eficaces que simplemente cambiar a un material con un módulo superior.
Preguntas Frecuentes
P1: ¿Qué plástico común tiene el módulo de elasticidad más alto?
Entre los plásticos no reforzados de la tabla, el PPS y el PEEK presentan valores relativamente altos, con un módulo de Young típico de aproximadamente 4 GPa.
P2: ¿Disminuye el módulo de elasticidad del nailon tras la absorción de humedad?
Sí. La humedad hace que el nailon sea más flexible, pero reduce significativamente su rigidez.
P3: ¿Un módulo de elasticidad más alto significa que un plástico es más resistente?
No. El módulo describe la rigidez, mientras que la resistencia describe la tensión que un material puede soportar antes de ceder o romperse.
P4: ¿Se pueden utilizar directamente los valores del módulo de elasticidad de una ficha técnica de material en los cálculos de las piezas?
No siempre. También deben tenerse en cuenta el grado específico, la temperatura, las condiciones de humedad, la norma de ensayo y la dirección de moldeo.
P5: ¿Cuánto puede aumentar el módulo de elasticidad de un plástico mediante el refuerzo con fibra de vidrio?
Tomando como ejemplo el PA6, un grado sin refuerzo puede tener un módulo de aproximadamente 3.1 GPa, mientras que el PA6-GF30 seco puede alcanzar unos 9.5 GPa, aproximadamente tres veces más.
