Kriminalteknisk polymerteknik

Forensic polymer engineering är studiet av misslyckande i polymera produkter. Ämnet inkluderar brott på plastprodukter, eller någon annan anledning till att en sådan produkt inte fungerar eller inte uppfyller dess specifikation . Ämnet fokuserar på de materiella bevisen från brotts- eller olycksplatser, söker defekter i det material som kan förklara varför en olycka inträffade, eller källan till ett specifikt material för att identifiera en brottsling. Många analytiska metoder som används för polymeridentifiering kan användas i undersökningar, varvid den exakta mängden bestäms av typen av polymeren i fråga, vare sig den är härdplast , termoplastisk , elastomer eller komposit till sin natur.

En aspekt är analysen av spårbevis såsom halkmärken på exponerade ytor, där kontakt mellan olika material lämnar materialspår av det ena kvar på det andra. Förutsatt att spåren kan analyseras framgångsrikt kan en olycka eller ett brott ofta rekonstrueras.

Analysmetoder

IR-spektrum som visar karbonylabsorption på grund av oxidativ nedbrytning av polypropen

Termoplaster kan analyseras med infraröd spektroskopi , ultraviolett-synlig spektroskopi , kärnmagnetisk resonansspektroskopi och svepelektronmikroskop för miljön . Misslyckade prover kan antingen lösas i ett lämpligt lösningsmedel och undersökas direkt (UV-, IR- och NMR-spektroskopi) eller vara en tunnfilm gjuten av lösningsmedel eller skäras med mikrotomi från den fasta produkten. Infraröd spektroskopi är särskilt användbar för att bedöma oxidation av polymerer, såsom polymernedbrytning orsakad av felaktig formsprutning . Spektrumet visar den karakteristiska karbonylgruppen som produceras genom oxidation av polypropen , vilket gjorde produkten spröd . Det var en kritisk del av en krycka, och när den misslyckades föll användaren och skadade sig mycket allvarligt. Spektrumet erhölls från en tunn film gjuten från en lösning av ett plastprov taget från den misslyckade underarmskryckan .

Mikrotomi är att föredra eftersom det inte finns några komplikationer från lösningsmedelsabsorption och provets integritet delvis bevaras. Termohärdar , kompositer och elastomerer kan ofta undersökas med endast mikrotomi på grund av den olösliga naturen hos dessa material.

Fraktur

Frakturerade produkter kan undersökas med fraktografi , en särskilt användbar metod för alla trasiga komponenter med makrofotografi och optisk mikroskopi . Även om polymerer vanligtvis har ganska andra egenskaper än metaller , keramik och glas , är de lika känsliga för fel på grund av mekanisk överbelastning , utmattning och spänningskorrosionssprickor om produkterna är dåligt utformade eller tillverkade.

Svepelektronmikroskopi eller ESEM är särskilt användbar för att undersöka brottytor och kan också ge elementaranalys av betraktade delar av provet som undersöks. Det är i själva verket en teknik för mikroanalys och värdefullt för undersökning av spårbevis . Å andra sidan saknas färgåtergivning i ESEM och det finns ingen information om hur dessa element är bundna till varandra. Prover kommer att exponeras för ett partiellt vakuum, så alla flyktiga ämnen kan avlägsnas och ytor kan vara förorenade av ämnen som används för att fästa provet på fästet.

Exempel

Många polymerer angrips av specifika kemikalier i miljön och allvarliga problem kan uppstå, inklusive trafikolyckor och personskador . Polymernedbrytning leder till provsprödhet och brott under låga pålagda belastningar.

Ozonsprickor

Ozonsprickor i slangar av naturgummi

Polymerer kan till exempel angripas av aggressiva kemikalier, och vid belastning kommer sprickor att växa genom mekanismen för spänningskorrosionssprickning . Det kanske äldsta kända exemplet är ozonsprickningen av gummin , där spår av ozon i atmosfären angriper dubbelbindningar i materialens kedjor. Elastomerer med dubbelbindningar i sina kedjor inkluderar naturgummi , nitrilgummi och styren-butadiengummi . De är alla mycket känsliga för ozonangrepp och kan orsaka problem som fordonsbränder (från gummibränsleledningar) och däck som blåser ut. Nuförtiden tillsätts anti-ozonanter i stor utsträckning till dessa polymerer, så förekomsten av sprickbildning har minskat. Alla säkerhetskritiska gummiprodukter är dock inte skyddade, och eftersom endast ppb ozon kommer att börja attackera, uppstår fortfarande fel.

Klorinducerad sprickbildning

klorangrepp av acetalharts VVS-fog

En annan mycket reaktiv gas är klor , som angriper känsliga polymerer som acetalharts och polybutylenrör . Det har funnits många exempel på sådana rör och acetalkopplingar som har gått sönder i egenskaper i USA till följd av klor-inducerad sprickbildning. Gasen angriper huvudsakligen känsliga delar av kedjemolekylerna (särskilt sekundära, tertiära eller allyliska kolatomer), oxiderar kedjorna och orsakar i slutändan kedjeklyvning. Grundorsaken är spår av klor i vattenförsörjningen, tillsatt för dess antibakteriella verkan, attack som inträffar även vid miljondelar spår av den lösta gasen. Kloret angriper svaga delar av en produkt, och i fallet med en acetalhartsövergång i ett vattenförsörjningssystem är det trådrötterna som angrips först, vilket får en spröd spricka att växa. Missfärgningen på sprickytan orsakades av avsättning av karbonater från hårdvattenförsörjningen , så fogen hade varit i ett kritiskt tillstånd i många månader.

Hydrolys

De flesta polymerer med stegtillväxt kan utsättas för hydrolys i närvaro av vatten, ofta en reaktion som katalyseras av syra eller alkali . Nylon till exempel bryts ned och spricker snabbt om det utsätts för starka syror, ett fenomen som är välkänt för människor som av misstag spiller syra på sina strumpbyxor.

Trasig bränsleledning till höger från vägtrafikolycka

Det trasiga bränsleröret orsakade en allvarlig olycka när diesel rann ut från en skåpbil på vägen. En efterföljande bil sladdade och föraren skadades allvarligt när hon krockade med en mötande lastbil. Svepelektronmikroskopi eller SEM visade att nylonanslutningen hade spruckit av spänningskorrosionssprickor på grund av ett litet läckage av batterisyra. Nylon är känsligt för hydrolys i kontakt med svavelsyra , och endast ett litet läckage av syra skulle ha räckt för att starta en spröd spricka i den formsprutade kontakten med en mekanism som kallas spänningskorrosion , eller SCC.

Närbild av trasigt bränslerör

Sprickan tog cirka 7 dagar att växa över diametern på röret, därför borde skåpbilsföraren ha sett läckan långt innan sprickan växte till en kritisk storlek. Det gjorde han inte, vilket ledde till olyckan. Sprickytan uppvisade en huvudsakligen spröd yta med ränder som indikerar progressiv sprickbildning över rörets diameter. När sprickan hade trängt in i det inre hålet började bränsle läcka ut på vägen. Diesel är särskilt farligt på vägytor eftersom det bildar en tunn oljig hinna som inte lätt kan ses av förare. Det liknar svart is i smörjighet, så sladdar är vanliga när dieselläckage uppstår. Försäkringsgivarna för skåpbilsföraren medgav ansvar och den skadade föraren fick ersättning.

Polykarbonat är känsligt för alkalihydrolys, reaktionen depolymeriserar helt enkelt materialet. Polyestrar är benägna att brytas ned när de behandlas med starka syror och i alla dessa fall måste man se till att torka råvarorna för bearbetning vid höga temperaturer för att förhindra att problemet uppstår.

UV-nedbrytning

IR-spektrum som visar karbonylabsorption på grund av UV-nedbrytning av polyeten

Många polymerer angrips också av UV-strålning på känsliga punkter i sina kedjestrukturer. Således polypropen för allvarliga sprickor i solljus om inte antioxidanter tillsätts. Angreppspunkten inträffar vid den tertiära kolatomen som finns i varje upprepad enhet, vilket orsakar oxidation och slutligen kedjebrott. Polyeten är också känsligt för UV-nedbrytning, speciellt de varianter som är grenade polymerer som LDPE . Grenpunkterna är tertiära kolatomer , så polymernedbrytning börjar där och resulterar i kedjeklyvning och försprödning. I exemplet som visas till vänster detekterades karbonylgrupper lätt med IR-spektroskopi från en gjuten tunn film. Produkten var en vägkon som hade spruckit under drift, och många liknande koner misslyckades också eftersom en anti-UV-tillsats inte hade använts.

Se även

Peter R Lewis och Sarah Hainsworth, Fuel Line Failure from stress corrosion cracking , Engineering Failure Analysis,13 (2006) 946–962.
Lewis, Peter Rhys, Reynolds, K, Gagg, C, Forensic Materials Engineering: Fallstudier , CRC Press (2004).
Wright, DC, Miljöbelastningssprickning av plast RAPRA (2001).
Ezrin, Meyer, Plastics Failure Guide: Cause and Prevention , Hanser-SPE (1996).
Lewis, Peter Rhys, Forensic Polymer Engineering: Why polymer products fail in service , 2nd Edition, Elsevier-Woodhead (2016).