Rottura da stress ambientale

Rottura da stress ambientale

Punti chiave

• L'ESC richiede sollecitazione e agente chimico insieme: nessuno dei due, da solo, causerebbe il cedimento.
• È ampiamente citata come la principale causa di cedimento in servizio dei pezzi in plastica.
• L'agente non deve necessariamente attaccare chimicamente il polimero. Molti sono innocui in un pezzo privo di tensioni.
• I polimeri amorfi sono i più vulnerabili, in particolare policarbonato e ABS.

Rottura da stress ambientale

La rottura da stress ambientale (ESC, Environmental Stress Cracking) è il cedimento fragile di un polimero sotto l'azione combinata di sollecitazione meccanica e contatto con un agente chimico, a livelli di tensione e concentrazioni chimiche che, presi singolarmente, sarebbero innocui. Il cedimento è fisico e non chimico: non si verifica alcuna degradazione significativa del polimero, ed è proprio per questo che coglie di sorpresa.

L'agente penetra la superficie del polimero e plastifica la regione sotto tensione, abbassando la resistenza locale al crazing (formazione di microfratture superficiali). Le cricche si formano, si uniscono in fratture e il pezzo cede in modo fragile anche se il materiale è nominalmente duttile. L'analisi del pezzo rotto mostra spesso che il polimero è del tutto conforme alle specifiche, ed è ciò che rende i cedimenti da ESC così persistentemente scambiati per difetti del materiale.

I tre requisiti

Se si elimina uno qualsiasi dei tre, il cedimento non si verifica. È la base pratica di ogni strategia di prevenzione ed è di solito più economico agire sulla sollecitazione.

Suscettibilità per polimero

Perché conta nella decorazione e nella marcatura

L'ESC è un rischio ricorrente e poco riconosciuto proprio nelle operazioni successive allo stampaggio, perché queste introducono sia tensioni sia agenti chimici:

• La marcatura laser aggiunge una sollecitazione termica locale alle tensioni residue di stampaggio. Su policarbonato e acrilico il crazing può comparire ore o giorni dopo la marcatura e non subito: un pezzo che supera l'ispezione alla macchina può cedere il turno successivo.
• Inchiostri, adesivi, primer e relativi solventi sono agenti chimici applicati direttamente su una superficie sollecitata. Un test di adesione a reticolo superato non dice nulla sul fatto che l'inchiostro innescherà cricche in servizio.
• Le fasi di pulizia prima della decorazione sono un colpevole frequente. L'isopropanolo è il tipico panno di pulizia prima dell'incollaggio ed è anche un noto agente ESC per ABS e acrilico.
• Marcare attraverso un punto di iniezione, una linea di giunzione o la radice di una nervatura colloca l'apporto termico esattamente dove si concentrano le tensioni residue.
• La deformazione da assemblaggio aggrava il problema. Un pezzo decorato senza incidenti può criccarsi una volta montato a scatto o avvitato, perché l'assemblaggio fornisce la sollecitazione mancante.

Prevenzione e prove

• Riduca le tensioni residue. Ricuocia dove l'applicazione lo giustifica, ottimizzi posizione del punto di iniezione e raffreddamento ed eviti spigoli interni vivi. Di solito è la leva più economica delle tre.
• Verifichi ogni sostanza chimica con cui il pezzo verrà a contatto, non solo quelle previste, ma anche detergenti, creme per le mani, lubrificanti e plastificanti che migrano da componenti adiacenti.
• Provi sotto sollecitazione, non su provini piani. È l'errore di prova più comune. I metodi con striscia piegata e con dima ellittica applicano una deformazione nota durante l'esposizione chimica, l'unico modo in cui l'interazione emerge. La ASTM D543 riguarda la resistenza chimica e la ASTM D1693 il classico metodo ESCR per il polietilene.
• Usi una prova di stress con solvente per rivelare le tensioni residue durante lo sviluppo del processo: un'esposizione controllata rende visibili le concentrazioni di tensione come crazing prima che causino guasti sul campo.
• Ispezioni dopo un intervallo. Preveda nella qualificazione una nuova ispezione a 24 ore o più, dato che il crazing si sviluppa spesso dopo che il pezzo ha lasciato la cella.

Riconoscere un cedimento da ESC

Nelle indagini, non tragga conclusioni dalla sola prova sul materiale. Un'indagine su un ESC deve ricostruire insieme lo stato di tensione e la storia dell'esposizione chimica, perché i soli dati del materiale appariranno privi di anomalie.

Termini correlati e letture

• Policarbonato
• Difetti di adesione
• Analisi dei guasti e servizi di ingegneria
• Soluzioni di marcatura laser per materie plastiche
• Invecchiamento accelerato

Applicazione in produzione

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Domande frequenti

Che cosa causa la rottura da stress ambientale?

La presenza simultanea di tensione di trazione e di un agente chimico in un polimero suscettibile. Nessuno dei due fattori da solo causerebbe il cedimento ai livelli in gioco, ed è ciò che rende l'ESC così facile da non vedere: la tensione è entro i limiti di progetto e la sostanza chimica è una che la scheda tecnica del materiale indica come compatibile. È la loro interazione ad abbassare la resistenza al crazing.

Perché le analisi dei guasti mostrano spesso che il materiale era conforme alle specifiche?

Perché l'ESC è un cedimento fisico e non chimico. L'agente plastifica la regione sollecitata e favorisce il crazing senza degradare in modo significativo il polimero, quindi la prova sul pezzo rotto trova peso molecolare, composizione e proprietà meccaniche tutti normali. Questo risultato porta spesso alla conclusione errata che il materiale fosse a posto e il carico eccessivo.

Quali materie plastiche sono più vulnerabili?

I polimeri amorfi, in particolare polistirene, acrilico, ABS e policarbonato. I polimeri semicristallini come il polipropilene sono più resistenti perché le zone cristalline ostacolano la penetrazione dell'agente, e gli aromatici ad alta temperatura come PPS e PEEK sono molto resistenti, il che è parte del motivo per cui vengono specificati per ambienti chimici gravosi nonostante il costo.

Come va provata la resistenza all'ESC?

Sotto sollecitazione. Provare in sostanza chimica un provino piano non sollecitato è l'errore più comune, perché elimina proprio l'interazione che si sta indagando e quasi sempre supera la prova. I metodi con striscia piegata e con dima ellittica applicano una deformazione nota durante l'esposizione; la ASTM D543 riguarda la resistenza chimica e la ASTM D1693 il classico metodo per il polietilene. Verifichi ogni sostanza chimica con cui il pezzo verrà realmente a contatto, compresi i detergenti.

La marcatura laser può innescare la rottura da stress?

Può contribuire, aggiungendo una sollecitazione termica locale alle tensioni residue di stampaggio, in particolare su policarbonato e acrilico e soprattutto quando la marcatura attraversa un punto di iniezione, una linea di giunzione o la radice di una nervatura dove le tensioni sono già concentrate. Il crazing compare spesso ore o giorni dopo e non alla macchina, quindi la qualificazione dovrebbe includere una nuova ispezione differita anziché affidarsi a un controllo visivo immediato.

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