Fissuração por tensão ambiental em conjuntos de plástico

Fissuração por tensão ambiental em conjuntos colados e revestidos

Principais conclusões

• A fissuração por tensão ambiental (ESC) exige tensão e exposição química ao mesmo tempo — cada fator isolado costuma ser inofensivo, e é por isso que as fichas técnicas dos materiais não a preveem.
• A montagem fornece os dois. Adesivos, solventes, revestimentos e a fixação usada para aplicá-los introduzem agente químico e tensão simultaneamente.
• Os polímeros amorfos são a classe vulnerável — policarbonato, ABS, acrílico, polissulfona e PPO falham dessa forma muito mais do que os semicristalinos.
• A tensão residual da moldagem é invisível e, com frequência, maior que a carga em serviço; o recozimento e a inspeção com luz polarizada são formas baratas de identificá-la.

A fissuração por tensão ambiental é o modo de falha que mais surpreende as equipes de engenharia, porque contraria a forma como os plásticos costumam ser especificados. O material atende à sua resistência à tração. A peça é carregada bem abaixo dessa resistência. O produto químico com que ela entra em contato é listado como compatível. E, mesmo assim, o conjunto trinca semanas após o envio, de forma frágil e totalmente diferente do comportamento descrito na ficha técnica do material.

A explicação é que a ESC não é uma propriedade apenas do material. É uma propriedade da combinação entre material, estado de tensão e ambiente químico — e o processo de especificação costuma avaliar esses três fatores separadamente.

O mecanismo, em resumo

Polímeros amorfos sob tensão de tração formam microfissuras (crazes): regiões microscópicas de vazios unidas por fibrilas de polímero estiradas. Em condições normais, a formação de crazes absorve energia e é em grande parte benigna. Quando se introduz um agente químico com a relação de solubilidade adequada ao polímero, ele penetra no craze, plastifica localmente as fibrilas e reduz a tensão necessária para que o craze evolua para uma trinca. O polímero não é dissolvido nem degradado quimicamente — o teste convencional de compatibilidade química em amostras sem tensão não encontra nenhum problema —, mas a barreira de energia para o crescimento da trinca desapareceu.

Disso decorrem duas consequências. Primeiro, os dois ingredientes são estritamente necessários: uma peça sem tensão no mesmo produto químico está bem, e uma peça tensionada em ar limpo também. Segundo, o processo depende do tempo e de um limiar, de modo que uma peça pode resistir por meses e depois falhar, e um pequeno aumento de tensão ou de concentração pode mudar o tempo até a falha em uma ordem de grandeza.

Por que a montagem costuma ser a culpada

As operações de colagem, revestimento e decoração são especialmente eficientes em fornecer as duas condições necessárias no mesmo lugar.

• Solventes. Adesivos à base de solvente, primers, lenços de limpeza e tintas colocam o agente químico em contato direto com o polímero, muitas vezes na região de maior tensão da peça, justamente porque é ali que está a junta.
• Contração na cura. Adesivos e revestimentos encolhem ao curar, e um filme rígido colado a um substrato rígido transmite essa contração como tensão de tração na superfície do substrato — exatamente onde os crazes se iniciam.
• Tensão de montagem. Encaixes por pressão, encaixes elásticos (snap fits), parafusos autoatarraxantes, fixação durante a cura e dilatação térmica incompatível impõem tensões sustentadas. Ao contrário das cargas em serviço, elas nunca desaparecem.
• Tensão residual da moldagem. Frequentemente o maior termo de todos, e invisível. Uma peça pode sair do molde com tensão interna comparável ou superior a qualquer carga aplicada em serviço, concentrada perto de pontos de injeção, transições de espessura e linhas de união (knit lines).

Uma investigação que trata a carga em serviço como o único termo de tensão e ignora os outros três concluirá que a peça está carregada bem dentro dos limites e que a ESC é impossível. Essa conclusão está errada com frequência suficiente para justificar a verificação todas as vezes.

Encontrando a tensão que você não vê

A medição da tensão residual não exige equipamento sofisticado. Peças transparentes e translúcidas colocadas entre filtros polarizadores cruzados exibem padrões de birrefringência que mapeiam diretamente a distribuição de tensão; a técnica leva minutos e mostra de imediato se as regiões dos pontos de injeção e das linhas de união estão sob tensão elevada. Em peças opacas, a imersão controlada em um reagente definido por um tempo definido produz crazes de forma preferencial nas regiões tensionadas, o que gera um mapa qualitativo. Recozer uma amostra logo abaixo da temperatura de transição vítrea e medir a variação dimensional quantifica quanta tensão estava congelada na peça.

Quando a tensão residual é confirmada como significativa, as ações corretivas são ações de moldagem: temperatura de molde mais alta, preenchimento mais lento, recalque ajustado, mudança de posição do ponto de injeção, reprojeto com seções mais espessas para evitar transições abruptas e, em alguns casos, recozimento após a moldagem. Em geral, isso custa menos do que trocar o material e sempre menos do que uma campanha de recall em campo.

Eliminando a exposição química no projeto

Quando o agente é introduzido pelo processo, a substituição costuma ser possível e pouco utilizada. Limpadores sem solvente ou à base de água no lugar de solventes agressivos; adesivos de cura UV ou hot-melt no lugar de juntas cimentadas com solvente; formulações de adesivo de baixa contração; e, no caso do policarbonato e do acrílico em particular, químicas de adesivo especificamente qualificadas como não causadoras de crazes nesses substratos.

Quando o agente chega em serviço — produtos de limpeza, protetores solares, repelentes de insetos, combustíveis, plastificantes que migram de peças adjacentes, desinfetantes em ambientes médicos —, a resposta de projeto é reduzir a tensão de tração sustentada na superfície exposta, afastar as juntas da exposição ou migrar para um material semicristalino. Protetor solar e álcool em gel merecem menção especial, pois causam uma sucessão constante de falhas em campo em produtos de consumo e médicos e quase nunca constam do documento de requisitos original.

Ensaios que realmente preveem

As tabelas-padrão de compatibilidade química são compiladas com corpos de prova sem tensão e, por isso, subestimam sistematicamente o risco de ESC. Um ensaio significativo aplica tensão e produto químico simultaneamente. O ensaio de tira dobrada mantém os corpos de prova sob uma deformação definida enquanto são expostos ao agente; o ensaio de carga de tração constante mede o tempo até a falha em uma série de níveis de tensão; e o ensaio na peça montada real, com o adesivo real e a fixação real, é o único método que capta a contribuição de tensão da própria montagem.

Use os produtos químicos reais de serviço em vez de substitutos, inclusive aqueles que ninguém especificou, mas que todos usam. Ensaie na maior temperatura realista, porque a ESC se acelera fortemente com a temperatura. E, sempre que possível, ensaie até a falha em vez de por uma duração fixa, porque conhecer a margem vale mais do que saber que a peça sobreviveu a um intervalo arbitrário.

Reconhecendo a ESC em campo

A ESC tem uma aparência distinta que a separa das outras formas de ruptura de uma peça plástica. A fratura é frágil mesmo em um material normalmente dúctil, com pouco ou nenhum estiramento ou esbranquiçamento por tensão na ruptura. A superfície da trinca costuma ser lisa e vítrea perto da origem e, muitas vezes, mostra uma região espelhada onde a trinca se iniciou, cercada por material mais rugoso onde ela se acelerou. Várias trincas paralelas, ou uma rede de crazes finos perto da fratura, são comuns e raramente aparecem em uma simples falha por sobrecarga.

A localização é igualmente diagnóstica. As trincas de ESC se iniciam onde a tensão de tração é mais alta e onde houve contato químico, por isso se concentram em pontos de injeção, linhas de união, transições de parede, ao redor de insertos e domos de parafuso e imediatamente ao lado de linhas de colagem e bordas revestidas. Uma trinca que começa na borda de um cordão de adesivo e avança para dentro da peça é quase uma assinatura.

Quando o diagnóstico é duvidoso, a confirmação é um ensaio de reprodução: pegue peças sem tensão do mesmo lote, aplique uma deformação conhecida, exponha-as ao agente suspeito e veja se surge a mesma aparência de fratura. Se surgir, o mecanismo está esclarecido e a ação corretiva — reduzir a tensão, trocar o agente ou trocar o material — pode ser escolhida com base no custo, e não na especulação.

Leitura relacionada

• Colagem e união
• Métodos de análise de causa raiz
• Policarbonato
• Linhas de união e linhas de solda como causas ocultas
• Boas práticas para colagem de termoplásticos semicristalinos

Precisa de ajuda com isso?

A The Sabreen Group oferece suporte de engenharia independente para diagnosticar e eliminar no projeto a fissuração por tensão ambiental em plásticos montados. Nossa equipe de serviços de engenharia trabalha com fabricantes no desenvolvimento de processos, na qualificação de materiais e na solução de problemas de produção. Fale conosco para discutir sua aplicação.

Perguntas frequentes

O que exatamente é a fissuração por tensão ambiental?

A ESC é a trinca frágil de um polímero sob a ação combinada de tensão mecânica e de um agente químico, em níveis de tensão e concentrações químicas que, isoladamente, não causariam falha. O agente não ataca quimicamente o polímero; ele acelera a formação de crazes e o crescimento da trinca ao reduzir a energia necessária para criar novas superfícies.

Quais plásticos são mais suscetíveis?

Os termoplásticos amorfos são a classe vulnerável: policarbonato, ABS, acrílico, poliestireno, polissulfona e PPO modificado. Materiais semicristalinos, como polipropileno, acetal, náilon e PBT, são consideravelmente mais resistentes, porque suas regiões cristalinas dificultam a propagação dos crazes, embora não sejam imunes em condições agressivas.

Um adesivo pode causar fissuração por tensão?

Sim, e é um mecanismo comum. Adesivos e limpadores à base de solvente fornecem diretamente o agente químico, componentes não curados de sistemas reativos podem atuar como agentes e a contração na cura fornece a tensão. Uma junta pode, portanto, criar as duas condições necessárias no mesmo ponto e no mesmo instante, e é por isso que conjuntos colados de policarbonato e acrílico falham dessa forma com tanta frequência.

Como detectamos a tensão residual em uma peça moldada?

A luz polarizada mostra diretamente os padrões de tensão em peças transparentes. Em peças opacas, um ensaio de imersão em solvente com um reagente controlado revela as regiões tensionadas como crazes. Recozer uma amostra abaixo da transição vítrea e medir novamente as dimensões indica quanta tensão congelada existia. Os três métodos são baratos em comparação com uma falha em campo.

A ESC aparece imediatamente ou com o tempo?

Normalmente com o tempo, e é isso que a torna perigosa. A iniciação da trinca pode levar semanas ou meses nos níveis de tensão de serviço, de modo que as peças passam em todos os ensaios de produção e falham em campo. O ensaio acelerado com os produtos químicos reais de serviço sob tensão aplicada é a única forma confiável de expô-la antes que os clientes o façam.

---