La ingeniería forense de polímeros es el estudio de fallas en productos poliméricos . El tema incluye la fractura de productos plásticos, o cualquier otra razón por la cual dicho producto falla en servicio o no cumple con sus especificaciones . El tema se centra en la evidencia material de la escena del crimen o accidente, buscando defectos en esos materiales que puedan explicar por qué ocurrió un accidente, o la fuente de un material específico para identificar a un criminal. En las investigaciones se pueden utilizar muchos métodos analíticos utilizados para la identificación de polímeros, determinándose el conjunto exacto por la naturaleza del polímero en cuestión, ya sea de naturaleza termoestable , termoplástica , elastomérica o compuesta .
Un aspecto es el análisis de rastros de evidencia , como marcas de derrape en superficies expuestas, donde el contacto entre materiales diferentes deja rastros de material de uno sobre el otro. Si las huellas se pueden analizar con éxito, a menudo es posible reconstruir un accidente o un delito.
Los termoplásticos se pueden analizar mediante espectroscopia de infrarrojos , espectroscopia ultravioleta-visible , espectroscopia de resonancia magnética nuclear y el microscopio electrónico de barrido ambiental . Las muestras fallidas pueden disolverse en un disolvente adecuado y examinarse directamente (espectroscopia UV, IR y RMN) o ser una película fina moldeada a partir de disolvente o cortada mediante microtomía del producto sólido. La espectroscopía de infrarrojos es especialmente útil para evaluar la oxidación de polímeros, como la degradación del polímero causada por un moldeo por inyección defectuoso . El espectro muestra el grupo carbonilo característico producido por la oxidación del polipropileno , que hizo que el producto se volviera quebradizo . Era una parte fundamental de una muleta y, cuando fallaba, la usuaria se caía y se lastimaba gravemente. El espectro se obtuvo a partir de una película delgada moldeada a partir de una solución de una muestra de plástico extraída de la muleta del antebrazo fallida .
Es preferible la microtomía, ya que no hay complicaciones por la absorción de disolventes y se conserva parcialmente la integridad de la muestra. Los termoestables , los compuestos y los elastómeros a menudo pueden examinarse utilizando únicamente microtomía debido a la naturaleza insoluble de estos materiales.
Los productos fracturados se pueden examinar mediante fractografía , un método especialmente útil para todos los componentes rotos mediante macrofotografía y microscopía óptica . Aunque los polímeros suelen poseer propiedades bastante diferentes a las de los metales , la cerámica y el vidrio , son igualmente susceptibles a fallas por sobrecarga mecánica , fatiga y corrosión bajo tensión si los productos están mal diseñados o fabricados.
La microscopía electrónica de barrido o ESEM es especialmente útil para examinar superficies de fracturas y también puede proporcionar un análisis elemental de las partes vistas de la muestra que se investiga. Es efectivamente una técnica de microanálisis y valiosa para el examen de rastros de evidencia . Por otro lado, en ESEM no hay reproducción cromática y no se proporciona información sobre la forma en que esos elementos están unidos entre sí. Las muestras se expondrán a un vacío parcial, por lo que se pueden eliminar los volátiles y las superficies pueden contaminarse con las sustancias utilizadas para unir la muestra al soporte.
Muchos polímeros son atacados por sustancias químicas específicas en el medio ambiente y pueden surgir problemas graves, incluidos accidentes de tráfico y lesiones personales . La degradación del polímero conduce a la fragilización de la muestra y a la fractura bajo cargas aplicadas bajas.
Los polímeros , por ejemplo, pueden ser atacados por productos químicos agresivos y, si están bajo carga, se producirán grietas debido al mecanismo de corrosión por tensión . Quizás el ejemplo más antiguo conocido sea el craqueo de cauchos por ozono , donde trazas de ozono en la atmósfera atacan los dobles enlaces en las cadenas de los materiales. Los elastómeros con dobles enlaces en sus cadenas incluyen el caucho natural , el caucho de nitrilo y el caucho de estireno-butadieno . Todos ellos son muy susceptibles al ataque del ozono y pueden causar problemas como incendios de vehículos (de las tuberías de combustible de caucho) y reventones de neumáticos . Hoy en día, se añaden ampliamente antiozonantes a estos polímeros, por lo que la incidencia de agrietamiento ha disminuido. Sin embargo, no todos los productos de caucho críticos para la seguridad están protegidos y, dado que sólo ppb de ozono comenzarán a atacar, todavía se producen fallas.
Otro gas altamente reactivo es el cloro , que atacará a los polímeros susceptibles como la resina de acetal y las tuberías de polibutileno . Ha habido muchos ejemplos de tuberías y accesorios de acetal que han fallado en sus propiedades en los EE. UU. como resultado del agrietamiento inducido por el cloro. Básicamente, el gas ataca partes sensibles de las moléculas de la cadena (especialmente los átomos de carbono secundarios, terciarios o alílicos ), oxidando las cadenas y, en última instancia, provocando la escisión de las cadenas. La causa fundamental son las trazas de cloro en el suministro de agua, añadido por su acción antibacteriana, ataque que se produce incluso en trazas de partes por millón del gas disuelto. El cloro ataca las partes débiles de un producto y, en el caso de una unión de resina acetal en un sistema de suministro de agua, son las raíces del hilo las que fueron atacadas primero, provocando el crecimiento de una grieta quebradiza. La decoloración de la superficie de la fractura se debió a la deposición de carbonatos del suministro de agua dura , por lo que la junta había estado en un estado crítico durante muchos meses.
La mayoría de los polímeros de crecimiento escalonado pueden sufrir hidrólisis en presencia de agua, a menudo una reacción catalizada por un ácido o un álcali . El nailon , por ejemplo, se degradará y agrietará rápidamente si se expone a ácidos fuertes, un fenómeno bien conocido por las personas que accidentalmente derraman ácido sobre sus medias.
La rotura del tubo de combustible provocó un grave accidente cuando el combustible diésel de una furgoneta se derramó sobre la carretera. Un vehículo que iba detrás patinó y la conductora resultó gravemente herida al chocar con un camión que se aproximaba. La microscopía electrónica de barrido o SEM mostró que el conector de nailon se había fracturado por corrosión bajo tensión debido a una pequeña fuga de ácido de la batería. El nailon es susceptible a la hidrólisis en contacto con el ácido sulfúrico , y sólo una pequeña fuga de ácido habría sido suficiente para iniciar una grieta frágil en el conector moldeado por inyección mediante un mecanismo conocido como agrietamiento por corrosión bajo tensión o SCC.
La grieta tardó unos 7 días en crecer a lo largo del diámetro del tubo, por lo que el conductor de la furgoneta debería haber visto la fuga mucho antes de que la grieta alcanzara un tamaño crítico. No lo hizo, por lo que se produjo el accidente. La superficie de la fractura mostró una superficie principalmente frágil con estrías que indicaban un crecimiento progresivo de la grieta a lo largo del diámetro de la tubería. Una vez que la grieta penetró en el orificio interior, el combustible empezó a filtrarse a la carretera. El diésel es especialmente peligroso en las superficies de las carreteras porque forma una fina película aceitosa que los conductores no pueden ver fácilmente. En cuanto a lubricidad, es similar al hielo negro , por lo que los patinazos son comunes cuando se producen fugas de diésel. Las aseguradoras del conductor de la furgoneta admitieron su responsabilidad y el conductor lesionado fue indemnizado.
El policarbonato es susceptible a la hidrólisis alcalina, y la reacción simplemente despolimeriza el material. Los poliésteres son propensos a degradarse cuando se tratan con ácidos fuertes y, en todos estos casos, se debe tener cuidado de secar las materias primas para el procesamiento a altas temperaturas para evitar que ocurra el problema.
Muchos polímeros también son atacados por la radiación ultravioleta en puntos vulnerables de sus estructuras de cadena. Por lo tanto, el polipropileno sufre graves grietas con la luz solar a menos que se agreguen antioxidantes . El punto de ataque se produce en el átomo de carbono terciario presente en cada unidad repetida, provocando oxidación y finalmente rotura de la cadena. El polietileno también es susceptible a la degradación por rayos UV, especialmente aquellas variantes que son polímeros ramificados como el LDPE . Los puntos de ramificación son átomos de carbono terciarios , por lo que la degradación del polímero comienza allí y da como resultado la escisión de la cadena y la fragilización. En el ejemplo que se muestra a la derecha, los grupos carbonilo se detectaron fácilmente mediante espectroscopia IR a partir de una película delgada fundida. El producto era un cono de carretera que se había agrietado durante el servicio y muchos conos similares también fallaron porque no se había utilizado un aditivo anti-UV.