Fisuración por tensión ambiental (ESC)

Fisuración por tensión ambiental en ensambles pegados y recubiertos

Puntos clave

• La ESC requiere esfuerzo y exposición química al mismo tiempo; cualquiera de los dos por separado suele ser inofensivo, y por eso las hojas de datos del material no la predicen.
• El ensamble aporta ambos. Los adhesivos, solventes, recubrimientos y las sujeciones empleadas para aplicarlos introducen agente y esfuerzo de manera simultánea.
• Los polímeros amorfos son la clase vulnerable: el policarbonato, ABS, acrílico, polisulfona y PPO fallan de este modo mucho más que los semicristalinos.
• El esfuerzo residual del moldeo es invisible y con frecuencia mayor que la carga en servicio; el recocido y la inspección con luz polarizada son formas económicas de detectarlo.

La fisuración por tensión ambiental es el modo de falla que con más frecuencia sorprende a los equipos de ingeniería, porque desafía la forma en que normalmente se especifican los plásticos. El material cumple con su resistencia a la tensión. La pieza trabaja muy por debajo de esa resistencia. El químico con el que entra en contacto figura como compatible. Y aun así el ensamble se fisura, semanas después de enviado, de manera frágil y totalmente distinta al comportamiento que indica la hoja de datos del material.

La explicación es que la ESC no es una propiedad únicamente del material. Es una propiedad de la combinación de material, estado de esfuerzos y entorno químico, y el proceso de especificación suele evaluar esos tres factores por separado.

El mecanismo, en breve

Los polímeros amorfos sometidos a esfuerzo de tensión forman crazes: regiones microscópicas de huecos unidas por fibrillas de polímero estiradas. En condiciones normales, el crazing absorbe energía y es en gran medida benigno. Si se introduce un agente químico con la relación de solubilidad adecuada con el polímero, este penetra el craze, plastifica localmente las fibrillas y reduce el esfuerzo necesario para que el craze evolucione hasta convertirse en una grieta. El polímero no se disuelve ni se degrada químicamente (las pruebas convencionales de compatibilidad química en muestras sin esfuerzo no detectan nada anormal), pero la barrera de energía para el crecimiento de la grieta se ha colapsado.

De ahí se desprenden dos consecuencias. Primero, ambos ingredientes son estrictamente necesarios: una pieza sin esfuerzo en el mismo químico está bien, y una pieza con esfuerzo en aire limpio también. Segundo, el proceso depende del tiempo y tiene un umbral, por lo que una pieza puede resistir meses y luego fallar, y un pequeño aumento del esfuerzo o de la concentración puede cambiar el tiempo de falla en un orden de magnitud.

Por qué el ensamble suele ser el culpable

Las operaciones de pegado, recubrimiento y decoración son singularmente eficientes para aportar ambas condiciones necesarias en el mismo lugar.

• Solventes. Los adhesivos con base solvente, imprimantes de adhesión (primers), toallitas de limpieza y tintas ponen el agente químico en contacto directo con el polímero, a menudo en la zona de mayor esfuerzo de la pieza, porque ahí es donde está la unión.
• Contracción por curado. Los adhesivos y recubrimientos se contraen al curar, y una película rígida pegada a un sustrato rígido transmite esa contracción como esfuerzo de tensión en la superficie del sustrato, precisamente donde se inician los crazes.
• Esfuerzo de ensamble. Los ajustes a presión, ajustes por encaje (snap fits), tornillos autorroscantes, la sujeción durante el curado y la dilatación térmica desigual imponen esfuerzos sostenidos. A diferencia de las cargas en servicio, estos nunca desaparecen.
• Esfuerzo residual del moldeo. Con frecuencia es el término mayor de todos, y es invisible. Una pieza puede salir del molde con un esfuerzo interno comparable o superior a cualquiera que el servicio le aplique, concentrado cerca de las compuertas, las transiciones de espesor y las líneas de unión.

Una investigación que considere la carga en servicio como el único término de esfuerzo e ignore los otros tres concluirá que la pieza trabaja muy dentro de sus límites y que la ESC es imposible. Esa conclusión es errónea con la frecuencia suficiente como para verificarla siempre.

Cómo encontrar el esfuerzo que no se ve

Medir el esfuerzo residual no requiere equipo sofisticado. Las piezas transparentes y translúcidas colocadas entre filtros polarizadores cruzados muestran patrones de birrefringencia que mapean directamente la distribución de esfuerzos; la técnica toma minutos y muestra de inmediato si las zonas de compuerta y las líneas de unión soportan esfuerzos altos. En piezas opacas, la inmersión controlada en un reactivo definido durante un tiempo definido produce crazing de forma preferente en las regiones con esfuerzo, lo que da un mapa cualitativo. Recocer una muestra justo por debajo de su transición vítrea y medir el cambio dimensional cuantifica cuánto esfuerzo había quedado congelado.

Cuando se confirma que el esfuerzo residual es significativo, las acciones correctivas son acciones de moldeo: mayor temperatura del molde, llenado más lento, ajuste del empaque, reubicación de la compuerta, rediseño de secciones más gruesas para evitar transiciones abruptas y, en algunos casos, un recocido posterior al moldeo. Suelen ser más baratas que cambiar el material y siempre más baratas que una campaña de reparación en campo.

Diseñar para eliminar la exposición química

Cuando el agente lo introduce el proceso, la sustitución suele estar disponible y se aprovecha poco: limpiadores sin solvente o con base agua en lugar de solventes agresivos; adhesivos de curado UV o termofusibles en lugar de uniones cementadas con solvente; formulaciones adhesivas de baja contracción y, en particular para el policarbonato y el acrílico, químicas adhesivas calificadas específicamente como no generadoras de crazing en esos sustratos.

Cuando el agente llega en servicio (productos de limpieza, bloqueadores solares, repelente de insectos, combustibles, plastificantes que migran desde piezas adyacentes, desinfectantes en entornos médicos), la respuesta de diseño consiste en reducir el esfuerzo de tensión sostenido en la superficie expuesta, colocar las uniones lejos de la exposición o cambiar a un material semicristalino. El bloqueador solar y el gel desinfectante merecen mención especial, porque causan un flujo constante de fallas en campo en productos de consumo y médicos, y casi nunca figuran en el documento original de requisitos.

Pruebas que realmente predicen

Las tablas estándar de compatibilidad química se elaboran con especímenes sin esfuerzo y, por lo tanto, subestiman sistemáticamente el riesgo de ESC. Una prueba significativa aplica esfuerzo y químico de manera simultánea. La prueba de tira flexionada mantiene los especímenes a una deformación definida mientras están expuestos al agente; la prueba de carga de tensión constante mide el tiempo hasta la falla a una serie de niveles de esfuerzo; y la prueba sobre la pieza ensamblada real, con el adhesivo real y la sujeción real, es el único método que captura la contribución del esfuerzo del propio ensamble.

Utilice los químicos reales de servicio en lugar de sustitutos, incluidos aquellos que nadie especificó pero que todos usan. Pruebe a la temperatura realista más alta, porque la ESC se acelera con fuerza al aumentar la temperatura. Y, siempre que sea posible, pruebe hasta la falla en lugar de una duración fija, porque conocer el margen vale más que saber que la pieza sobrevivió un intervalo arbitrario.

Cómo reconocerla en campo

La ESC tiene una apariencia distintiva que la separa de las demás formas en que se rompe una pieza de plástico. La fractura es frágil incluso en un material normalmente dúctil, con poco o ningún estiramiento o blanqueamiento por esfuerzo en la ruptura. La superficie de la grieta suele ser lisa y vítrea cerca de su origen, y con frecuencia muestra una región tipo espejo donde se inició la grieta, rodeada de material más rugoso donde esta se aceleró. Son comunes las grietas paralelas múltiples o una red de crazes finos cerca de la fractura, que rara vez se ven en una simple falla por sobrecarga.

La ubicación es igualmente diagnóstica. Las grietas por ESC se inician donde el esfuerzo de tensión es mayor y donde hubo contacto químico, por lo que se agrupan en compuertas, líneas de unión, transiciones de pared, alrededor de insertos y bosses de tornillo, e inmediatamente junto a las líneas de pegado y los bordes recubiertos. Una grieta que arranca en el borde de un cordón de adhesivo y penetra en la pieza es casi una firma.

Cuando el diagnóstico es dudoso, la confirmación es una prueba de reproducción: tome piezas sin esfuerzo del mismo lote, aplique una deformación conocida, exponga las piezas al agente sospechoso y observe si se desarrolla la misma apariencia de fractura. Si es así, el mecanismo queda establecido y la acción correctiva (reducir el esfuerzo, cambiar el agente o cambiar el material) puede elegirse por costo y no por especulación.

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Preguntas frecuentes

¿Qué es exactamente la fisuración por tensión ambiental?

La ESC es el agrietamiento frágil de un polímero bajo la acción combinada de un esfuerzo mecánico y un agente químico, a niveles de esfuerzo y concentraciones químicas que ninguno de los dos causaría por sí solo. El agente no ataca químicamente al polímero; acelera el crazing y el crecimiento de la grieta al reducir la energía necesaria para formar nuevas superficies.

¿Qué plásticos son más susceptibles?

Los termoplásticos amorfos son la clase vulnerable: policarbonato, ABS, acrílico, poliestireno, polisulfona y PPO modificado. Los materiales semicristalinos como el polipropileno, el acetal, el nylon y el PBT son considerablemente más resistentes, porque sus regiones cristalinas impiden la propagación de los crazes, aunque no son inmunes en condiciones agresivas.

¿Un adhesivo puede causar fisuración por esfuerzo?

Sí, y es un mecanismo común. Los adhesivos y limpiadores con base solvente aportan directamente el agente químico, los componentes sin curar de los sistemas reactivos pueden actuar como agentes, y la contracción por curado aporta el esfuerzo. Por lo tanto, una unión puede crear ambas condiciones requeridas en el mismo punto y al mismo tiempo, y por eso los ensambles pegados de policarbonato y acrílico fallan con tanta frecuencia de este modo.

¿Cómo detectamos el esfuerzo residual en una pieza moldeada?

La luz polarizada muestra directamente los patrones de esfuerzo en piezas transparentes. En piezas opacas, una prueba de inmersión en solvente con un reactivo controlado revela las regiones con esfuerzo en forma de crazing. Recocer una muestra por debajo de su transición vítrea y volver a medir las dimensiones indica cuánto esfuerzo congelado había. Los tres métodos son económicos en comparación con una falla en campo.

¿La ESC aparece de inmediato o con el tiempo?

Normalmente con el tiempo, y eso es lo que la hace peligrosa. El inicio de la grieta puede tardar semanas o meses a los niveles de esfuerzo en servicio, de modo que las piezas pasan todas las pruebas de producción y fallan en campo. Las pruebas aceleradas con los químicos reales de servicio bajo esfuerzo aplicado son la única forma confiable de detectarla antes que los clientes.

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