Fissuração por tensão ambiental

Fissuração por tensão ambiental

Principais conclusões

• A ESC exige tensão e um agente químico juntos; nenhum dos dois, isoladamente, causaria a falha.
• É amplamente citada como a maior causa isolada de falha de peças plásticas em serviço.
• O agente não precisa atacar quimicamente o polímero. Muitos são inofensivos em uma peça sem tensão.
• Os polímeros amorfos são os mais vulneráveis, com destaque para o policarbonato e o ABS.

Fissuração por tensão ambiental

A fissuração por tensão ambiental (ESC, do inglês environmental stress cracking) é a falha frágil de um polímero sob a ação combinada de tensão mecânica e contato com um agente químico, em níveis de tensão e concentrações químicas que seriam, cada um, inofensivos isoladamente. A falha é física, e não química: não ocorre degradação significativa do polímero, e é precisamente por isso que ela pega as pessoas de surpresa.

O agente penetra na superfície do polímero e plastifica a região sob tensão, reduzindo a resistência local ao crazing (microfissuração). Formam-se microfissuras que se unem em trincas, e a peça falha de maneira frágil, embora o material seja nominalmente dúctil. A análise da peça que falhou costuma mostrar que o polímero está inteiramente dentro da especificação, o que faz com que as falhas por ESC sejam tão persistentemente diagnosticadas como defeitos de material.

Os três requisitos

Elimine qualquer um dos três e a falha não ocorre. Essa é a base prática de toda estratégia de prevenção, e geralmente é mais barato atacar a tensão.

Suscetibilidade por polímero

Por que isso importa na decoração e na marcação

A ESC é um risco recorrente e pouco reconhecido justamente nas operações que se seguem à moldagem, porque elas introduzem tanto tensão quanto química:

• A marcação a laser adiciona tensão térmica local sobre a tensão residual da moldagem. Em policarbonato e acrílico, o crazing pode aparecer horas ou dias após a marcação, e não imediatamente; assim, uma peça que passa na inspeção na máquina pode falhar no turno seguinte.
• Tintas, adesivos, primers e seus solventes são agentes químicos aplicados diretamente sobre uma superfície sob tensão. Um teste de adesão por corte cruzado aprovado não diz nada sobre se a tinta iniciará trincas em serviço.
• As etapas de limpeza antes da decoração são um culpado frequente. O álcool isopropílico é o lenço padrão antes da colagem e também é um conhecido agente de ESC para ABS e acrílico.
• Marcar sobre um ponto de injeção, uma linha de solda ou a raiz de uma nervura coloca a entrada térmica exatamente onde a tensão residual se concentra.
• A deformação da montagem agrava o problema. Uma peça decorada sem incidentes pode trincar depois de encaixada por pressão ou parafusada, porque a montagem fornece a tensão que faltava.

Prevenção e ensaios

• Reduza a tensão residual. Faça recozimento quando a aplicação justificar, otimize o local do ponto de injeção e o resfriamento e evite cantos internos vivos. Costuma ser a mais barata das três alavancas.
• Faça a triagem de todos os produtos químicos que a peça encontrará, não apenas os previstos, mas também agentes de limpeza, cremes para as mãos, lubrificantes e plastificantes que migram de componentes adjacentes.
• Teste sob tensão, e não em corpos de prova planos. Esse é o erro de ensaio mais comum. Os métodos de tira dobrada e de gabarito elíptico aplicam uma deformação conhecida durante a exposição química, que é a única forma de a interação aparecer. A ASTM D543 cobre a resistência química, e a ASTM D1693 o método clássico de ESCR para polietileno.
• Use um teste de tensão com solvente para revelar a tensão residual durante o desenvolvimento do processo: a exposição controlada torna as concentrações de tensão visíveis como crazing antes que causem falhas em campo.
• Inspecione após um intervalo. Inclua na qualificação uma reinspeção após 24 horas ou mais, já que o crazing frequentemente se desenvolve depois que a peça saiu da célula.

Como reconhecer uma falha por ESC

Ao investigar, resista à tentação de concluir apenas pelo ensaio do material. Uma investigação de ESC precisa reconstruir juntos o estado de tensão e o histórico de exposição química, porque os dados do material, sozinhos, parecerão banais.

Termos e leituras relacionados

• Policarbonato
• Falhas de adesão
• Análise de falhas e serviços de engenharia
• Soluções de marcação a laser de plásticos
• Envelhecimento acelerado

Aplicação na produção

The Sabreen Group oferece suporte de engenharia independente em análise de falhas, investigação de fissuração por tensão ambiental e triagem de compatibilidade de materiais. Se você está especificando um processo, qualificando um material ou resolvendo um problema de produção, nossa equipe de serviços de engenharia pode ajudar. Fale conosco para discutir sua aplicação.

Perguntas frequentes

O que causa a fissuração por tensão ambiental?

A presença simultânea de tensão de tração e de um agente químico em um polímero suscetível. Nenhum dos dois fatores, isoladamente, causaria falha nos níveis envolvidos, o que torna a ESC tão fácil de passar despercebida: a tensão está dentro dos limites de projeto e o produto químico é um que a ficha técnica do material lista como compatível. É a interação entre eles que reduz a resistência ao crazing.

Por que as análises de falha frequentemente mostram que o material estava dentro da especificação?

Porque a ESC é uma falha física, e não química. O agente plastifica a região sob tensão e promove o crazing sem degradar significativamente o polímero; assim, o ensaio da peça que falhou encontra massa molar, composição e propriedades mecânicas todas normais. Esse resultado frequentemente leva à conclusão errada de que o material estava bom e a carga era excessiva.

Quais plásticos são mais vulneráveis?

Os polímeros amorfos, particularmente o poliestireno, o acrílico, o ABS e o policarbonato. Polímeros semicristalinos, como o polipropileno, são mais resistentes porque as regiões cristalinas dificultam a penetração do agente, e os aromáticos de alta temperatura, como PPS e PEEK, são altamente resistentes, o que explica em parte por que são especificados para ambientes químicos exigentes, apesar do custo.

Como a resistência à ESC deve ser testada?

Sob tensão. Testar um corpo de prova plano sem tensão no produto químico é o erro mais comum, porque elimina justamente a interação investigada e quase sempre passa. Os métodos de tira dobrada e de gabarito elíptico aplicam uma deformação conhecida durante a exposição; a ASTM D543 cobre a resistência química e a ASTM D1693 o método clássico para polietileno. Faça a triagem de todos os produtos químicos com que a peça realmente terá contato, inclusive agentes de limpeza.

A marcação a laser pode desencadear a fissuração por tensão?

Pode contribuir, ao adicionar tensão térmica local sobre a tensão residual da moldagem, particularmente em policarbonato e acrílico, e sobretudo quando a marcação cruza um ponto de injeção, uma linha de solda ou a raiz de uma nervura, onde a tensão já se concentra. O crazing costuma aparecer horas ou dias depois, e não na máquina; por isso, a qualificação deve incluir uma reinspeção tardia, em vez de depender de uma verificação visual imediata.

---