Ingeniería forense de polímeros

La ingeniería forense de polímeros es el estudio de fallas en productos poliméricos. El tema incluye la fractura de productos plásticos, o cualquier otra razón por la cual dicho producto falla en el servicio o no cumple con su especificación. El tema se centra en la evidencia material de la escena del crimen o accidente, buscando defectos en esos materiales que puedan explicar por qué ocurrió un accidente, o la fuente de un material específico para identificar a un criminal. Muchos métodos analíticos utilizados para la identificación de polímeros se pueden utilizar en las investigaciones, el conjunto exacto se determina por la naturaleza del polímero en cuestión, ya sea de naturaleza termoestable, termoplástica, elastomérica o compuesta.

Un aspecto es el análisis de rastros de evidencia, como marcas de deslizamiento en superficies expuestas, donde el contacto entre materiales diferentes deja rastros materiales de uno sobre el otro. Siempre que los rastros se puedan analizar con éxito, a menudo se puede reconstruir un accidente o un crimen.

Métodos de análisis

Los termoplásticos se pueden analizar mediante espectroscopia infrarroja, espectroscopia ultravioleta-visible, espectroscopia de resonancia magnética nuclear y el microscopio electrónico de barrido ambiental. Las muestras fallidas pueden disolverse en un solvente adecuado y examinarse directamente (espectroscopia UV, IR y NMR) o ser una película delgada moldeada a partir del solvente o cortada mediante microtomía del producto sólido. La espectroscopia infrarroja es especialmente útil para evaluar la oxidación de polímeros, como la degradación del polímero provocada por un moldeo por inyección defectuoso. El espectro muestra el grupo carbonilo característico producido por la oxidación del polipropileno, que hizo que el producto se volviera quebradizo. Era una parte crítica de una muleta, y cuando falló, el usuario se cayó y se lesionó muy gravemente.

Es preferible la microtomía ya que no hay complicaciones por la absorción del solvente y la integridad de la muestra se preserva parcialmente. Los termoestables, los compuestos y los elastómeros a menudo se pueden examinar usando solo microtomía debido a la naturaleza insoluble de estos materiales.

Fractura

Los productos fracturados se pueden examinar mediante fractografía, un método especialmente útil para todos los componentes rotos mediante macrofotografía y microscopía óptica. Aunque los polímeros suelen tener propiedades bastante diferentes a las de los metales, las cerámicas y los vidrios, son igualmente susceptibles a fallas por sobrecarga mecánica, fatiga y corrosión bajo tensión si los productos están mal diseñados o fabricados.

La microscopía electrónica de barrido o ESEM es especialmente útil para examinar superficies de fractura y también puede proporcionar un análisis elemental de las partes vistas de la muestra que se está investigando. Es efectivamente una técnica de microanálisis y valiosa para el examen de rastros de evidencia. Por otro lado, la reproducción del color está ausente en ESEM y no se proporciona información sobre la forma en que esos elementos se unen entre sí. Las muestras se expondrán a un vacío parcial, por lo que se pueden eliminar los volátiles y las superficies se pueden contaminar con las sustancias utilizadas para unir la muestra a la montura.

Ejemplos

Muchos polímeros son atacados por productos químicos específicos en el medio ambiente y pueden surgir problemas graves, incluidos accidentes de tráfico y lesiones personales. La degradación del polímero conduce a la fragilización y fractura de la muestra bajo cargas aplicadas bajas.

Craqueo de ozono

Los polímeros, por ejemplo, pueden ser atacados por productos químicos agresivos y, si están bajo carga, las grietas crecerán por el mecanismo de agrietamiento por corrosión bajo tensión. Quizás el ejemplo más antiguo conocido es el agrietamiento por ozono de las gomas, donde las trazas de ozono en la atmósfera atacan los dobles enlaces en las cadenas de los materiales. Los elastómeros con dobles enlaces en sus cadenas incluyen caucho natural, caucho de nitrilo y caucho de estireno-butadieno. Todos ellos son altamente susceptibles al ataque del ozono y pueden causar problemas como incendios de vehículos (debido a las líneas de combustible de goma) y reventones de llantas. Hoy en día, los anti-ozonizantes se agregan ampliamente a estos polímeros, por lo que la incidencia de agrietamiento ha disminuido. Sin embargo, no todos los productos de caucho críticos para la seguridad están protegidos y, dado que solo ppb de ozono comenzarán el ataque, las fallas aún ocurren.

Agrietamiento inducido por cloro

Otro gas altamente reactivo es el cloro, que atacará a los polímeros susceptibles, como la resina de acetal y las tuberías de polibutileno. Ha habido muchos ejemplos de tales tuberías y accesorios de acetal que fallan en sus propiedades en los EE. UU. como resultado del agrietamiento inducido por el cloro. Esencialmente, el gas ataca partes sensibles de las moléculas de la cadena (especialmente los átomos de carbono secundarios, terciarios o alílicos), oxidando las cadenas y, en última instancia, provocando la escisión de la cadena. La causa principal son los rastros de cloro en el suministro de agua, agregado por su acción antibacteriana, el ataque se produce incluso en partes por millón de rastros del gas disuelto. El cloro ataca las partes débiles de un producto y, en el caso de una unión de resina de acetal en un sistema de suministro de agua, son las raíces de los hilos las que fueron atacadas primero, lo que provocó que creciera una grieta quebradiza.

Hidrólisis

La mayoría de los polímeros de crecimiento escalonado pueden sufrir hidrólisis en presencia de agua, a menudo una reacción catalizada por ácidos o álcalis. El nailon, por ejemplo, se degradará y agrietará rápidamente si se expone a ácidos fuertes, un fenómeno bien conocido por las personas que accidentalmente derraman ácido sobre sus medias.

La rotura del tubo de combustible provocó un grave accidente al salir gasóleo de una furgoneta a la carretera. Un automóvil que le seguía patinó y el conductor resultó gravemente herido cuando chocó con un camión que se aproximaba. La microscopía electrónica de barrido o SEM mostró que el conector de nailon se había fracturado por agrietamiento por corrosión bajo tensión debido a una pequeña fuga de ácido de la batería. El nailon es susceptible a la hidrólisis en contacto con ácido sulfúrico, y solo una pequeña fuga de ácido habría sido suficiente para iniciar una grieta frágil en el conector moldeado por inyección mediante un mecanismo conocido como agrietamiento por corrosión bajo tensión o SCC.

La grieta tardó unos 7 días en crecer a lo largo del diámetro del tubo, por lo tanto, el conductor de la camioneta debería haber visto la fuga mucho antes de que la grieta alcanzara un tamaño crítico. No lo hizo, por lo que resultó en el accidente. La superficie de la fractura mostró una superficie principalmente frágil con estrías que indicaban un crecimiento progresivo de la grieta a lo largo del diámetro de la tubería. Una vez que la grieta había penetrado en el orificio interior, el combustible comenzó a filtrarse en la carretera. El diésel es especialmente peligroso en las superficies de las carreteras porque forma una fina película aceitosa que los conductores no pueden ver fácilmente. Es similar al hielo negro en lubricidad, por lo que los derrapes son comunes cuando ocurren fugas de diesel. Las aseguradoras del conductor de la furgoneta admitieron la responsabilidad y el conductor lesionado fue indemnizado.

El policarbonato es susceptible a la hidrólisis alcalina, la reacción simplemente despolimeriza el material. Los poliésteres son propensos a degradarse cuando se tratan con ácidos fuertes y, en todos estos casos, se debe tener cuidado de secar las materias primas para el procesamiento a altas temperaturas para evitar que ocurra el problema.

Degradación ultravioleta

Muchos polímeros también son atacados por la radiación ultravioleta en puntos vulnerables de sus estructuras de cadena. Por lo tanto, el polipropileno sufre graves grietas a la luz del sol a menos que se agreguen antioxidantes. El punto de ataque se produce en el átomo de carbono terciario presente en cada unidad repetida, provocando la oxidación y finalmente la rotura de la cadena. El polietileno también es susceptible a la degradación UV, especialmente aquellas variantes que son polímeros ramificados como el LDPE. Los puntos de ramificación son átomos de carbono terciarios, por lo que la degradación del polímero comienza allí y da como resultado la ruptura de la cadena y la fragilización. En el ejemplo que se muestra a la izquierda, los grupos carbonilo se detectaron fácilmente mediante espectroscopia IR a partir de una película delgada colada. El producto era un cono de carretera que se había agrietado en servicio y muchos conos similares también fallaron porque no se había usado un aditivo anti-UV.