Судебная полимерная инженерия

Судебная полимерная инженерия - это исследование неисправностей полимерных изделий. Тема включает в себя поломку пластиковых изделий или любую другую причину, по которой такое изделие выходит из строя или не соответствует своим спецификациям . Субъект сосредотачивается на вещественных доказательствах с мест преступлений или происшествий, выискивая дефекты в этих материалах, которые могут объяснить, почему произошел несчастный случай, или источник конкретных материалов для идентификации преступника. В исследованиях могут быть использованы многие аналитические методы, используемые для идентификации полимеров, точный набор которых определяется природой рассматриваемого полимера, будь то термореактивный , термопластичный , эластомерный или композитный по своей природе.

Одним из аспектов является анализ следов, таких как следы скольжения на открытых поверхностях, где контакт между разнородными материалами оставляет материальные следы одного на другом. Если следы можно успешно проанализировать, то несчастный случай или преступление часто можно реконструировать.

Методы анализа

ИК-спектр, показывающий поглощение карбонила вследствие окислительной деструкции полипропилена.

Термопласты можно анализировать с помощью инфракрасной спектроскопии , ультрафиолетовой и видимой спектроскопии , спектроскопии ядерного магнитного резонанса и сканирующего электронного микроскопа окружающей среды . Неудачные образцы могут быть либо растворены в подходящем растворителе и исследованы непосредственно (УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопия), либо представлять собой тонкую пленку, отлитую из растворителя, либо вырезанную с помощью микротомии из твердого продукта. Инфракрасная спектроскопия особенно полезна для оценки окисления полимеров, например, деградации полимера, вызванной неправильным литьем под давлением . В спектре видна характерная карбонильная группа, образующаяся при окислении полипропилена , что делает изделие хрупким . Это была важная часть костыля, и когда он вышел из строя, пользовательница упала и серьезно поранилась. Спектр был получен на тонкой пленке, отлитой из раствора образца пластика, взятого из вышедшего из строя костыля на предплечье .

Микротомия предпочтительнее, так как не возникает осложнений от абсорбции растворителя и частично сохраняется целостность образца. Термореактивные материалы , композиты и эластомеры часто можно исследовать с помощью только микротомии из-за нерастворимой природы этих материалов.

Перелом

Сломанные продукты можно исследовать с помощью фрактографии , особенно полезного метода для всех сломанных компонентов с использованием макрофотографии и оптической микроскопии . Хотя полимеры обычно обладают совершенно другими свойствами, чем металлы , керамика и стекло , они так же подвержены разрушению из-за механических перегрузок , усталости и коррозионного растрескивания под напряжением, если изделия плохо спроектированы или изготовлены.

Сканирующая электронная микроскопия или ESEM особенно полезна для исследования поверхностей излома, а также может обеспечить элементный анализ видимых частей исследуемого образца. Это эффективный метод микроанализа , ценный для изучения следовых доказательств . отсутствует цветопередача С другой стороны, в ESEM , и нет информации о том, как эти элементы связаны друг с другом. Образцы будут подвергаться воздействию частичного вакуума, поэтому любые летучие вещества могут быть удалены, а поверхности могут быть загрязнены веществами, используемыми для прикрепления образца к креплению.

Примеры

Многие полимеры подвергаются воздействию определенных химических веществ из окружающей среды, что может привести к серьезным проблемам, включая дорожно-транспортные происшествия и травмы . Деградация полимера приводит к охрупчиванию образца и разрушению при низких приложенных нагрузках.

Озоновое растрескивание

Полимеры , например, могут подвергаться воздействию агрессивных химикатов, и под нагрузкой возникают трещины по механизму коррозионного растрескивания под напряжением . Возможно, самым старым известным примером является озоновое растрескивание резины в , когда следы озона в атмосфере разрушают двойные связи цепочках материалов. К эластомерам с двойными связями в цепях относятся натуральный каучук , нитриловый каучук и бутадиен-стирольный каучук. Все они очень чувствительны к воздействию озона и могут вызвать такие проблемы, как возгорание транспортных средств (из-за резиновых топливопроводов) и шин разрывы . В настоящее время к этим полимерам широко добавляют антиозонанты, поэтому вероятность растрескивания снизилась. Однако не все резиновые изделия, критичные для безопасности, защищены, и, поскольку только одна миллиардная доля озона начинает разрушаться, сбои все еще случаются.

Растрескивание, вызванное хлором

Еще одним высокореактивным газом является хлор , который воздействует на чувствительные полимеры, такие как ацетальная смола и полибутиленовые трубы. В США было много примеров того, как такие трубы и ацетальные фитинги теряли свои свойства в результате растрескивания, вызванного хлором. По сути, газ атакует чувствительные части молекул цепи (особенно вторичные, третичные или аллильные атомы углерода), окисляя цепи и в конечном итоге вызывая разрыв цепи. Основной причиной являются следы хлора в системе водоснабжения, добавленные из-за его антибактериального действия, причем воздействие происходит даже при миллионных долях растворенного газа. Хлор атакует слабые части изделия, а в случае соединения ацеталевой смолы в системе водоснабжения в первую очередь поражаются корни нити, вызывая рост хрупкой трещины. Изменение цвета поверхности излома было вызвано отложением карбонатов из- под жесткой воды , поэтому сустав в течение многих месяцев находился в критическом состоянии.

Гидролиз

Большинство полимеров ступенчатого роста могут подвергаться гидролизу в присутствии воды, часто реакция, катализируемая кислотой или щелочью . нейлон быстро разлагается и трескается под воздействием сильных кислот – явление, хорошо известное людям, которые случайно пролили кислоту на свои колготки. Например,

Неисправность бензопровода справа в результате дорожно-транспортного происшествия

Сломанный бензопровод стал причиной серьезной аварии: дизельное топливо вылилось из фургона на дорогу. Следующую машину занесло, а водитель получил серьезные травмы в результате столкновения со встречным грузовиком. Сканирующая электронная микроскопия или СЭМ показала, что нейлоновый разъем сломался в результате коррозионного растрескивания под напряжением из-за небольшой утечки аккумуляторной кислоты. Нейлон подвержен гидролизу при контакте с серной кислотой , и лишь небольшой утечки кислоты было бы достаточно, чтобы начать хрупкую трещину в отлитом под давлением разъеме по механизму, известному как коррозионное растрескивание под напряжением или SCC.

Трещине потребовалось около 7 дней, чтобы вырасти по всему диаметру трубы, следовательно, водитель фургона должен был заметить утечку задолго до того, как трещина достигла критического размера. Он этого не сделал, что привело к аварии. Поверхность излома имела в основном хрупкую поверхность с полосами, указывающими на прогрессирующий рост трещины по диаметру трубы. Как только трещина проникла во внутреннее отверстие, топливо начало вытекать на дорогу. Дизельное топливо особенно опасно на дорожном покрытии, поскольку оно образует тонкую маслянистую пленку, невидимую для водителей. По смазывающей способности он похож на черный лед , поэтому при утечках дизельного топлива часто случаются заносы. Страховщики водителя фургона признали ответственность, а пострадавшему водителю была выплачена компенсация.

Поликарбонат подвержен щелочному гидролизу, при этом реакция просто деполимеризует материал. Полиэфиры склонны к разложению при обработке сильными кислотами, и во всех этих случаях необходимо позаботиться о том, чтобы высушить сырье для обработки при высоких температурах, чтобы предотвратить возникновение проблем.

УФ-деградация

ИК-спектр, показывающий поглощение карбонила вследствие разложения полиэтилена УФ-излучением.

Многие полимеры также подвергаются воздействию УФ-излучения в уязвимых местах их цепных структур. Таким образом, полипропилен сильно растрескивается под воздействием солнечного света , если не антиоксиданты добавлены . Точка атаки возникает у третичного атома углерода, присутствующего в каждой повторяющейся единице, вызывая окисление и, наконец, разрыв цепи. Полиэтилен также подвержен разложению под воздействием ультрафиолета, особенно те варианты, которые представляют собой разветвленные полимеры, такие как ПЭНП . Точками ветвления являются третичные атомы углерода, поэтому там начинается деградация полимера , приводящая к разрыву цепи и охрупчиванию. В примере, показанном справа, карбонильные группы были легко обнаружены с помощью ИК-спектроскопии на отлитой тонкой пленке. Продукт представлял собой дорожный конус , который треснул во время эксплуатации, и многие подобные конусы также вышли из строя из-за того, что не использовалась анти-УФ-присадка.

См. также

Ссылки

Питер Р. Льюис и Сара Хейнсворт, Отказ топливной линии из-за коррозионного растрескивания под напряжением , Анализ инженерных отказов, 13 (2006) 946–962.
Льюис, Питер Рис, Рейнольдс, К., Гагг, К., Судебная экспертиза материалов: тематические исследования , CRC Press (2004).
Райт, округ Колумбия, Растрескивание пластмасс под воздействием окружающей среды RAPRA (2001).
Эзрин, Мейер, Руководство по разрушению пластмасс: причины и предотвращение , Hanser-SPE (1996).
Льюис, Питер Риз, Судебная полимерная инженерия: Почему полимерные изделия выходят из строя , 2-е издание, Elsevier-Woodhead (2016).