Analiza przyczyn źródłowych uszkodzeń: FTIR, DSC, TGA

Analiza przyczyn źródłowych uszkodzenia części z tworzywa sztucznego: co mówią FTIR, DSC, TGA i SEM

Najważniejsze wnioski

• Pytanie należy sformułować przed wyborem aparatu. Każda technika dobrze odpowiada na wąskie pytanie, a na wszystkie pozostałe – źle.
• Oględziny i pomiary wymiarowe są pierwszym krokiem – nic nie kosztują, są nieniszczące i decydują, które badania instrumentalne warto wykonać.
• Najpierw identyfikacja, potem porównanie. Niemal każdy wniosek zależy od wzorca prawidłowej części, zbadanego w identycznych warunkach.
• Próbki należy zabezpieczyć przed badaniem. Większość metod analitycznych jest niszcząca, a uszkodzona część jest zwykle nie do zastąpienia.

Aparatura analityczna nie rozwiązuje uszkodzeń, lecz odpowiada na pytania. Różnica ma znaczenie, ponieważ każda technika w laboratorium tworzyw sztucznych dobrze odpowiada na wąskie pytanie, a większość innych – źle, a badanie uszkodzenia rozpoczęte od wysłania części do „badań” bez zdefiniowanego pytania zwykle kończy się segregatorem danych bez wniosku. Skuteczna kolejność jest zawsze taka sama: obserwacja, hipotezy, a następnie wybór aparatu, który rozróżnia pozostałe hipotezy.

Przed użyciem jakiegokolwiek aparatu

Udokumentowane oględziny wzrokowe to najcenniejszy krok całego badania i nic nie kosztują. Część należy sfotografować w stanie dostarczonym, z wielu stron, ze skalą. Należy zapisać położenie uszkodzenia względem punktów wtrysku, linii łączenia strug, żeber, kołków, otworów i wszelkich operacji wtórnych. Należy zmierzyć wymiary krytyczne i porównać je z rysunkiem. Przełom lub wadę należy obejrzeć przy powiększeniu 10–40x pod mikroskopem stereoskopowym i sklasyfikować to, co widać.

Ten krok zwykle przesądza o całym dalszym planie. Pęknięcie rozpoczynające się w uformowanym koncentratorze naprężeń w obszarze narażonym chemicznie sugeruje pękanie naprężeniowe pod wpływem środowiska i wskazuje DSC oraz badania narażenia chemicznego. Czyste rozdzielenie na granicy faz bez przeniesienia polimeru sugeruje problem powierzchni i wskazuje FTIR oraz analizę powierzchni. Kruchy przełom w materiale, który powinien być ciągliwy, sugeruje degradację, zanieczyszczenie lub zamianę żywicy i wskazuje TGA, DSC oraz pomiar wskaźnika szybkości płynięcia.

FTIR: czym jest materiał i co się na nim znajduje

Spektroskopia w podczerwieni to uniwersalne narzędzie podstawowe. Identyfikuje rodzaj polimeru na podstawie sygnatury grup funkcyjnych, co potwierdza lub obala założenie, że część wykonano z materiału wskazanego na rysunku. Wykrywa bezpośrednio zanieczyszczenia powierzchni – silikon, oleje, środki antyadhezyjne, pozostałości po czyszczeniu – co czyni ją rozstrzygającym badaniem najczęstszej przyczyny utraty przyczepności. Pokazuje produkty utleniania wskazujące na degradację termiczną lub UV i może być wykonywana w trybie odbiciowym na powierzchni przełomu bez niszczenia próbki.

Warto znać jej ograniczenia. Bez starannej kalibracji identyfikuje chemię, a nie ilość. Nie odróżnia gatunków tego samego polimeru. Pokazuje to, co znajduje się w próbkowanej objętości, która w technice powierzchniowej może wynosić kilka mikrometrów – jest to przydatne, gdy pytanie dotyczy warstwy powierzchniowej, a mylące, gdy dotyczy składu objętościowego.

DSC: historia termiczna i utwardzenie

Różnicowa kalorymetria skaningowa ogrzewa kilka miligramów próbki i mierzy wymagany przepływ ciepła, ujawniając topnienie, krystalizację i przejście szkliste. W badaniu uszkodzeń najczęściej służy do potwierdzenia tożsamości materiału, wykrycia niezgłoszonej przez dostawcę zamiany żywicy, ilościowego określenia krystaliczności w materiałach półkrystalicznych, w których szybkość chłodzenia decyduje o właściwościach, oraz pomiaru resztkowego utwardzenia duroplastów i powłok utwardzanych UV.

Resztkowe utwardzenie jest często pomijaną przyczyną uszkodzeń opóźnionych. Powłoka lub klej, które utwardzają się dalej po montażu, zmieniają moduł i kurczą się, a oba efekty obciążają granicę faz. DSC określa ilościowo, ile utwardzenia pozostało, a porównanie z prawidłowo utwardzonym wzorcem zamienia podejrzenie w pomiar.

TGA: skład wagowy

Analiza termograwimetryczna ogrzewa próbkę i rejestruje masę w funkcji temperatury. Ponieważ polimer, plastyfikator, wypełniacz i pozostałość rozkładają się lub odparowują w odrębnych zakresach temperatur, otrzymana krzywa jest w istocie rozkładem składu: substancje lotne i wilgoć, zawartość plastyfikatora, udział polimeru, sadza oraz wypełniacz nieorganiczny lub pozostałość szkła.

To badanie odpowiada na pytania „czy zawartość szkła jest zgodna ze specyfikacją?” oraz „ile plastyfikatora pozostało w tej części?”. Jest też standardowym sposobem sprawdzenia stabilności termicznej, co ma znaczenie, gdy materiał przetwarza się blisko progu degradacji – częstej przyczyny kruchości oraz słabych warstw powierzchniowych, które powodują utratę przyczepności w postaci uszkodzenia podłoża.

SEM i EDS: topografia i pierwiastki

Skaningowa mikroskopia elektronowa zapewnia głębię ostrości i powiększenie nieosiągalne dla mikroskopii optycznej, co ma znaczenie, gdy pytanie dotyczy miejsca, w którym pęknięcie się rozpoczęło, i drogi jego propagacji. Powierzchnie przełomu mają cechy kierunkowe wskazujące miejsce zainicjowania, a jego identyfikacja – pustka, wtrącenie, ślad po punkcie wtrysku, rysa po obróbce – często kończy badanie.

Spektroskopia dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego, zwykle dostępna w tym samym aparacie, dodaje identyfikację pierwiastków. Wykrywa zanieczyszczenia nieorganiczne, identyfikuje wtrącenia metaliczne, mapuje rozmieszczenie wypełniacza i potwierdza obecność krzemu tam, gdzie podejrzewa się zanieczyszczenie silikonem. SEM/EDS jest droższa od pozostałych technik i jest niszcząca w tym sensie, że próbki trzeba przycinać i często pokrywać warstwą przewodzącą, dlatego należy do późniejszych etapów sekwencji.

Metody mechaniczne i reologiczne

Wskaźnik szybkości płynięcia jest tani i nieproporcjonalnie informatywny: odchylenie od specyfikacji wskazuje degradację, zanieczyszczenie lub inny gatunek i często jest najszybszym sposobem wykrycia problemu z materiałem. Próby rozciągania, zginania i udarności określają ilościowo, czy materiał spełnia wymagania karty katalogowej, co ma znaczenie, gdy spór dotyczy tego, czy zawiniła część, czy obciążenie. W przypadku połączeń klejowych badania ścinania zakładkowego i odrywania według zdefiniowanej normy zamieniają oceny subiektywne w liczby, które można porównywać między partiami i dostawcami.

Kolejność i dyscyplina postępowania z próbkami

Dwie zasady zapobiegają większości zbędnych badań. Zabezpieczyć, zanim zużyje się materiał: większość tych metod niszczy próbkę, a uszkodzona część bywa jedyną istniejącą. Przed pierwszym badaniem należy sfotografować, udokumentować i odłożyć nienaruszony materiał. Zawsze wykonywać wzorzec: niemal każdy wniosek w tej pracy ma charakter porównawczy. Widmo, termogram lub wartość wskaźnika płynięcia uszkodzonej części znaczą niewiele bez tego samego pomiaru na prawidłowej części, najlepiej z tego samego narzędzia i z partii, która spisała się poprawnie.

Badania zgodne z obiema zasadami zwykle zamykają się w kilka dni. Badania, które je pomijają, zwykle dają dane równie dobrze potwierdzające kilka konkurencyjnych wyjaśnień, co jest praktyczną definicją niejednoznacznego raportu.

Powiązane artykuły

• Uszkodzenia połączeń klejowych
• Odczytywanie powierzchni przełomu
• Pękanie naprężeniowe pod wpływem środowiska
• Usługi inżynieryjne Sabreen
• Co zawiera wiarygodny raport z analizy uszkodzenia

Potrzebna pomoc w tej sprawie?

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w analitycznym badaniu uszkodzeń i ustalaniu przyczyn źródłowych w elementach z tworzyw sztucznych. Nasz zespół usług inżynieryjnych współpracuje z producentami przy rozwoju procesów, kwalifikacji materiałów i rozwiązywaniu problemów produkcyjnych. Zapraszamy do kontaktu w sprawie Państwa zastosowania.

Najczęściej zadawane pytania

Jakie badanie wykonać w pierwszej kolejności na uszkodzonej części?

Żadne instrumentalne. Należy zacząć od udokumentowanych oględzin, pomiarów wymiarowych i mikroskopii przy małym powiększeniu przełomu lub wady. To ustala rodzaj i miejsce uszkodzenia, a tym samym to, czy potrzebna jest identyfikacja materiału, historia termiczna, analiza zanieczyszczeń czy dane o właściwościach mechanicznych. Uruchamianie aparatury przed sformułowaniem pytania to sposób na wyczerpanie budżetu badań bez wniosków.

Co dokładnie pokazuje FTIR?

Spektroskopia w podczerwieni z transformatą Fouriera identyfikuje grupy funkcyjne, co oznacza, że identyfikuje rodzaj polimeru, potwierdza dodatki i wypełniacze, wykrywa zanieczyszczenia powierzchni oraz pokazuje produkty utleniania lub degradacji. Jest to najbardziej wszechstronna pojedyncza technika w badaniu uszkodzeń tworzyw sztucznych, szybka i wymagająca bardzo małej ilości materiału.

Kiedy DSC jest właściwym wyborem?

Różnicowa kalorymetria skaningowa mierzy przejścia termiczne, więc ujawnia temperaturę topnienia, przejście szkliste, krystaliczność i stopień utwardzenia. Służy do potwierdzenia tożsamości materiału względem specyfikacji, wykrycia zamiany żywicy, oceny, czy część półkrystaliczną prawidłowo schłodzono, lub sprawdzenia, czy duroplast faktycznie zakończył utwardzanie.

Czym TGA różni się od DSC?

Analiza termograwimetryczna mierzy ubytek masy w funkcji temperatury, więc określa skład ilościowo: zawartość wypełniacza i szkła, plastyfikatora i substancji lotnych, udział sadzy oraz stabilność termiczną. DSC informuje o przejściach i utwardzeniu; TGA – z czego materiał się składa i ile jest każdego składnika.

Czy SEM jest potrzebna w większości badań?

Nie w większości. Skaningowa mikroskopia elektronowa opłaca się, gdy istotne są miejsce zainicjowania przełomu i mechanizm propagacji pęknięcia, gdy cechy są poniżej rozdzielczości mikroskopii optycznej lub gdy potrzebna jest analiza pierwiastkowa EDS do identyfikacji zanieczyszczeń nieorganicznych albo rozmieszczenia wypełniacza. W prostym zagadnieniu przyczepności lub zanieczyszczenia zwykle wystarcza mikroskopia optyczna z FTIR.

---