สาเหตุรากของชิ้นส่วนพลาสติกเสียหาย

การวิเคราะห์หาสาเหตุรากของชิ้นส่วนพลาสติกที่เสียหาย: FTIR, DSC, TGA และ SEM บอกอะไรได้บ้าง

ประเด็นสำคัญ

• กำหนดคำถามก่อนเลือกเครื่องมือ แต่ละเทคนิคตอบคำถามแคบ ๆ ได้ดี และตอบคำถามอื่นทั้งหมดได้ไม่ดี
• การตรวจด้วยสายตาและการตรวจวัดมิติต้องมาก่อน เพราะไม่มีค่าใช้จ่าย ไม่ทำลายชิ้นงาน และเป็นตัวกำหนดว่าการทดสอบด้วยเครื่องมือใดคุ้มค่าที่จะทำ
• ระบุก่อน แล้วจึงเปรียบเทียบ เกือบทุกข้อสรุปขึ้นอยู่กับชิ้นงานควบคุมที่ทราบว่าดี ซึ่งทดสอบภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน
• รักษาตัวอย่างไว้ก่อนการทดสอบ วิธีวิเคราะห์ส่วนใหญ่ทำลายตัวอย่าง และชิ้นงานที่เสียหายมักไม่มีชิ้นอื่นทดแทน

เครื่องมือวิเคราะห์ไม่ได้แก้ปัญหาความล้มเหลว แต่ตอบคำถาม ความแตกต่างนี้สำคัญ เพราะทุกเทคนิคในห้องปฏิบัติการพลาสติกตอบคำถามแคบ ๆ ได้ดี และตอบคำถามอื่นส่วนใหญ่ได้ไม่ดี การสอบสวนความล้มเหลวที่เริ่มด้วยการส่งชิ้นงานไปทำ “การทดสอบ” โดยไม่มีคำถามที่กำหนดไว้ มักได้ข้อมูลเป็นแฟ้มหนึ่งโดยไม่มีข้อสรุป ลำดับที่มีประสิทธิภาพเป็นแบบเดียวกันเสมอ คือ สังเกต ตั้งสมมติฐาน แล้วจึงเลือกเครื่องมือที่แยกแยะสมมติฐานที่เหลืออยู่ได้

ก่อนใช้เครื่องมือใด ๆ

การตรวจด้วยสายตาที่มีการบันทึกเป็นขั้นตอนที่มีคุณค่าสูงสุดของการสอบสวนทั้งหมด และไม่มีค่าใช้จ่าย ควรถ่ายภาพชิ้นงานตามสภาพที่ได้รับจากหลายมุมพร้อมมาตราส่วน บันทึกตำแหน่งที่เสียหายเทียบกับเกต รอยเชื่อมประสาน ซี่เสริมแรง บอส รู และกระบวนการขั้นที่สองใด ๆ วัดมิติสำคัญและเทียบกับแบบ ตรวจรอยแตกหรือข้อบกพร่องที่กำลังขยาย 10–40x ภายใต้กล้องจุลทรรศน์สเตอริโอ และจำแนกสิ่งที่พบ

ขั้นตอนนี้มักกำหนดแผนทั้งหมดที่ตามมา รอยแตกที่เริ่มจากจุดรวมความเค้นที่ขึ้นรูปมาในบริเวณที่สัมผัสสารเคมีบ่งชี้ถึงการแตกร้าวจากความเค้นและสิ่งแวดล้อม และชี้ไปที่ DSC และการทดสอบการสัมผัสสารเคมี การแยกที่ส่วนต่อประสานอย่างหมดจดโดยไม่มีการถ่ายโอนพอลิเมอร์บ่งชี้ปัญหาพื้นผิว และชี้ไปที่ FTIR และการวิเคราะห์พื้นผิว รอยแตกหักแบบเปราะในวัสดุที่ควรเหนียวบ่งชี้การเสื่อมสภาพ การปนเปื้อน หรือการเปลี่ยนเรซิน และชี้ไปที่ TGA, DSC และการวัดอัตราการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลว

FTIR: คืออะไร และมีอะไรอยู่บนผิว

สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดเป็นเครื่องมืออเนกประสงค์ที่ใช้งานหนัก ระบุชนิดพอลิเมอร์จากลายเซ็นหมู่ฟังก์ชัน ซึ่งยืนยันหรือหักล้างข้อสันนิษฐานว่าชิ้นงานทำจากวัสดุตามที่แบบระบุ ตรวจจับการปนเปื้อนบนพื้นผิวได้โดยตรง เช่น ซิลิโคน น้ำมัน สารปลดแม่พิมพ์ และคราบจากการทำความสะอาด จึงเป็นการทดสอบที่เด็ดขาดสำหรับสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของปัญหาการยึดเกาะ แสดงผลิตภัณฑ์จากออกซิเดชันที่บ่งชี้การเสื่อมสภาพจากความร้อนหรือ UV และสามารถทำในโหมดการสะท้อนบนพื้นผิวรอยแตกได้โดยไม่ทำลายตัวอย่าง

ข้อจำกัดก็ควรทราบ FTIR ระบุเคมี ไม่ใช่ปริมาณ หากไม่มีการสอบเทียบอย่างรอบคอบ ไม่สามารถแยกเกรดของพอลิเมอร์ชนิดเดียวกันได้ และรายงานเฉพาะสิ่งที่อยู่ในปริมาตรที่สุ่มตัวอย่าง ซึ่งสำหรับเทคนิคพื้นผิวอาจลึกเพียงไม่กี่ไมโครเมตร จึงมีประโยชน์เมื่อคำถามเกี่ยวกับชั้นผิว แต่ทำให้เข้าใจผิดเมื่อคำถามเกี่ยวกับองค์ประกอบของเนื้อวัสดุ

DSC: ประวัติทางความร้อนและการบ่ม

การวิเคราะห์ด้วยความร้อนแบบสแกนดิฟเฟอเรนเชียล (DSC) ให้ความร้อนแก่ตัวอย่างไม่กี่มิลลิกรัมและวัดการไหลของความร้อนที่ต้องใช้ ซึ่งเผยให้เห็นการหลอมเหลว การตกผลึก และการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว ในงานวิเคราะห์ความล้มเหลว การใช้งานที่พบบ่อยที่สุดคือยืนยันเอกลักษณ์ของวัสดุ ตรวจพบการเปลี่ยนเรซินที่ผู้จัดจำหน่ายไม่ได้เปิดเผย วัดปริมาณผลึกในวัสดุกึ่งผลึกที่อัตราการเย็นตัวเป็นตัวกำหนดสมบัติ และวัดการบ่มที่เหลืออยู่ในเทอร์โมเซตและสารเคลือบที่บ่มด้วย UV

การบ่มที่เหลืออยู่เป็นสาเหตุของความล้มเหลวที่เกิดภายหลังซึ่งมักถูกมองข้าม สารเคลือบหรือกาวที่ยังคงบ่มต่อหลังการประกอบจะเปลี่ยนมอดุลัสและหดตัว ซึ่งทั้งสองผลกระทำต่อส่วนต่อประสาน DSC วัดปริมาณการบ่มที่เหลือได้ และการเปรียบเทียบกับชิ้นงานควบคุมที่บ่มอย่างถูกต้องจะเปลี่ยนข้อสงสัยให้เป็นผลการวัด

TGA: องค์ประกอบตามมวล

การวิเคราะห์เชิงความร้อนด้วยน้ำหนัก (TGA) ให้ความร้อนแก่ตัวอย่างและบันทึกมวลเทียบกับอุณหภูมิ เนื่องจากพอลิเมอร์ พลาสติไซเซอร์ สารตัวเติม และกากตกค้างสลายตัวหรือระเหยในช่วงอุณหภูมิที่แตกต่างกัน เส้นโค้งที่ได้จึงเป็นการแจกแจงองค์ประกอบโดยปริยาย ได้แก่ สารระเหยและความชื้น ปริมาณพลาสติไซเซอร์ สัดส่วนพอลิเมอร์ คาร์บอนแบล็ก และสารตัวเติมอนินทรีย์หรือกากใยแก้ว

นี่คือการทดสอบที่ตอบคำถามว่า “ปริมาณใยแก้วตรงตามที่กำหนดหรือไม่” และ “เหลือพลาสติไซเซอร์ในชิ้นงานนี้เท่าใด” และเป็นวิธีมาตรฐานในการตรวจสอบเสถียรภาพทางความร้อน ซึ่งสำคัญเมื่อแปรรูปวัสดุใกล้เกณฑ์การเสื่อมสภาพ อันเป็นสาเหตุรากที่พบบ่อยของพฤติกรรมเปราะ และของชั้นผิวอ่อนแอที่ก่อให้เกิดความล้มเหลวของการยึดเกาะแบบที่วัสดุรองรับ

SEM และ EDS: ลักษณะภูมิประเทศและธาตุ

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดให้ความชัดลึกและกำลังขยายที่กล้องจุลทรรศน์แสงเทียบไม่ได้ ซึ่งสำคัญเมื่อคำถามคือรอยแตกเริ่มที่ใดและลุกลามอย่างไร พื้นผิวรอยแตกมีลักษณะเชิงทิศทางที่ชี้กลับไปยังจุดเริ่มต้น และการระบุจุดนั้น ไม่ว่าจะเป็นโพรง สิ่งแปลกปลอม รอยเกต หรือรอยขีดจากการตัดเฉือน มักยุติการสอบสวนได้

สเปกโทรสโกปีรังสีเอ็กซ์แบบกระจายพลังงาน (EDS) ซึ่งมักมีในเครื่องเดียวกัน เพิ่มการระบุธาตุ ตรวจพบการปนเปื้อนอนินทรีย์ ระบุสิ่งแปลกปลอมที่เป็นโลหะ ทำแผนที่การกระจายของสารตัวเติม และยืนยันซิลิคอนเมื่อสงสัยว่ามีการปนเปื้อนซิลิโคน SEM/EDS มีราคาสูงกว่าเทคนิคอื่น และทำลายตัวอย่างในแง่ที่ต้องตัดตัวอย่างให้ได้ขนาดและมักต้องเคลือบ จึงควรอยู่ช่วงหลังของลำดับ ไม่ใช่ช่วงต้น

วิธีทางกลและรีโอโลยี

อัตราการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลวมีต้นทุนต่ำและให้ข้อมูลมากเกินสัดส่วน ค่าที่เบี่ยงเบนจากข้อกำหนดบ่งชี้การเสื่อมสภาพ การปนเปื้อน หรือเกรดที่ต่างออกไป และมักเป็นวิธีที่เร็วที่สุดในการตรวจพบปัญหาวัสดุ การทดสอบแรงดึง การดัดงอ และแรงกระแทกบอกว่าวัสดุเป็นไปตามเอกสารข้อมูลหรือไม่ ซึ่งสำคัญเมื่อข้อโต้แย้งอยู่ที่ว่าชิ้นงานหรือภาระผิดพลาด สำหรับรอยต่อที่ยึดติด การทดสอบแรงเฉือนแบบทับซ้อนและการทดสอบแรงลอกตามมาตรฐานที่กำหนดเปลี่ยนการประเมินเชิงอัตวิสัยให้เป็นตัวเลขที่เปรียบเทียบข้ามล็อตและผู้จัดจำหน่ายได้

ลำดับและวินัยในการจัดการตัวอย่าง

กฎสองข้อป้องกันการทดสอบที่สูญเปล่าได้เกือบทั้งหมด ข้อแรก รักษาไว้ก่อนใช้ไป วิธีเหล่านี้ส่วนใหญ่ทำลายตัวอย่าง และชิ้นงานที่เสียหายมักเป็นชิ้นเดียวที่มีอยู่ ควรถ่ายภาพ บันทึก และแยกวัสดุที่ไม่ถูกแตะต้องไว้ก่อนเริ่มการทดสอบแรก ข้อสอง ทำการควบคุมเสมอ เกือบทุกข้อสรุปในงานนี้เป็นเชิงเปรียบเทียบ สเปกตรัม เทอร์โมแกรม หรือค่าอัตราการไหลของชิ้นงานที่เสียหายมีความหมายน้อยหากไม่มีการวัดแบบเดียวกันกับชิ้นงานที่ทราบว่าดี โดยเหมาะที่สุดคือจากแม่พิมพ์เดียวกัน และควรมาจากล็อตที่ใช้งานได้ถูกต้อง

การสอบสวนที่ปฏิบัติตามทั้งสองข้อมักปิดได้ภายในไม่กี่วัน ส่วนการสอบสวนที่ข้ามไปมักได้ข้อมูลที่สนับสนุนคำอธิบายที่แข่งขันกันหลายข้อได้พอ ๆ กัน ซึ่งเป็นนิยามเชิงปฏิบัติของรายงานที่ไม่ได้ข้อสรุป

บทความที่เกี่ยวข้อง

• ความล้มเหลวของการยึดติดด้วยกาว
• การอ่านพื้นผิวรอยแตกหัก
• การแตกร้าวจากความเค้นและสิ่งแวดล้อม
• บริการด้านวิศวกรรมของ Sabreen
• รายงานการวิเคราะห์ความล้มเหลวที่ใช้อ้างอิงได้ควรมีอะไรบ้าง

ต้องการความช่วยเหลือในเรื่องนี้หรือไม่

The Sabreen Group ให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรมอย่างเป็นอิสระสำหรับการวิเคราะห์ความล้มเหลวเชิงวิเคราะห์และการสอบสวนหาสาเหตุรากของชิ้นส่วนพลาสติก ทีมบริการด้านวิศวกรรมของเราทำงานร่วมกับผู้ผลิตในด้านการพัฒนากระบวนการ การรับรองวัสดุ และการแก้ไขปัญหาการผลิต ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับการใช้งานของลูกค้า

คำถามที่พบบ่อย

ควรทดสอบอะไรเป็นอย่างแรกกับชิ้นงานที่เสียหาย

ไม่ใช่การทดสอบด้วยเครื่องมือใดเลย ควรเริ่มด้วยการตรวจด้วยสายตาที่มีการบันทึก การวัดมิติ และการดูรอยแตกหรือข้อบกพร่องด้วยกล้องจุลทรรศน์กำลังขยายต่ำ ซึ่งจะระบุโหมดและตำแหน่งของความล้มเหลว และกำหนดว่าจำเป็นต้องมีการระบุวัสดุ ประวัติทางความร้อน การวิเคราะห์การปนเปื้อน หรือข้อมูลสมบัติเชิงกล การใช้เครื่องมือก่อนกำหนดคำถามเป็นวิธีที่ทำให้งบทดสอบหมดไปโดยไม่ได้ข้อสรุป

FTIR บอกอะไรได้จริง ๆ

สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มระบุหมู่ฟังก์ชันทางเคมี ซึ่งหมายความว่าระบุชนิดพอลิเมอร์ ยืนยันสารเติมแต่งและสารตัวเติม ตรวจพบการปนเปื้อนบนพื้นผิว และแสดงผลิตภัณฑ์จากออกซิเดชันหรือการเสื่อมสภาพ เป็นเทคนิคเดี่ยวที่มีประโยชน์กว้างที่สุดในงานวิเคราะห์ความล้มเหลวของพลาสติก ทำได้รวดเร็ว และใช้วัสดุน้อยมาก

DSC เหมาะเมื่อใด

การวิเคราะห์ด้วยความร้อนแบบสแกนดิฟเฟอเรนเชียลวัดการเปลี่ยนสถานะทางความร้อน จึงเผยจุดหลอมเหลว การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว ผลึก และระดับการบ่ม ใช้เพื่อยืนยันเอกลักษณ์วัสดุตามข้อกำหนด ตรวจพบการเปลี่ยนเรซิน ประเมินว่าชิ้นงานกึ่งผลึกเย็นตัวอย่างถูกต้องหรือไม่ หรือตรวจว่าเทอร์โมเซตบ่มเสร็จสมบูรณ์จริงหรือไม่

TGA ต่างจาก DSC อย่างไร

การวิเคราะห์เชิงความร้อนด้วยน้ำหนักวัดการสูญเสียมวลตามอุณหภูมิ จึงบอกปริมาณองค์ประกอบ ได้แก่ ปริมาณสารตัวเติมและใยแก้ว พลาสติไซเซอร์และสารระเหย ปริมาณคาร์บอนแบล็ก และเสถียรภาพทางความร้อน DSC บอกเรื่องการเปลี่ยนสถานะและการบ่ม ส่วน TGA บอกว่าวัสดุประกอบด้วยอะไรและแต่ละองค์ประกอบมีปริมาณเท่าใด

จำเป็นต้องใช้ SEM ในการสอบสวนส่วนใหญ่หรือไม่

ไม่จำเป็นสำหรับส่วนใหญ่ SEM คุ้มค่าเมื่อจุดเริ่มต้นของรอยแตกและกลไกการลุกลามมีความสำคัญ เมื่อลักษณะที่ต้องการดูเล็กกว่าความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แสง หรือเมื่อต้องการวิเคราะห์ธาตุด้วย EDS เพื่อระบุการปนเปื้อนอนินทรีย์หรือการกระจายของสารตัวเติม สำหรับคำถามเรื่องการยึดเกาะหรือการปนเปื้อนโดยตรง กล้องจุลทรรศน์แสงร่วมกับ FTIR มักเพียงพอ

---