CASE HISTORY: ANALISI DI PARTI DI MATERIALE PLASTICO TRAMITE SEM-EDX

L’analisi tramite tecniche di microscopia, di parti prodotte in materiale plastico (per esempio parti stampate ad iniezione o estruse), è piuttosto comune e spesso utilizzata, ad esempio, per evidenziare difetti della parte stessa o la dispersione di specifiche particelle.

Oltre alla microscopia ottica, un’analisi microscopica di grande utilità ed efficacia è la microscopia elettronica a scansione con microanalisi degli elementi (SEM-EDX).

Tramite la microscopia elettronica è infatti possibile valutare non solo la morfologia del campione (cioè “vederlo” ad ingrandimenti molto più elevati di quelli consentiti dalla microscopia ottica) ma anche analizzare gli elementi chimici presenti nel campione (per maggiori dettagli si veda anche al link https://rdlab137.it/it/laboratorio/microscopiaelettronica-sem-edx.html).

Tra le potenzialità della tecnica si possono considerare per esempio:

• analisi difetti (anche su scala sub-micrometrica)
• analisi morfologia di particelle, fibre, polveri, agglomerati (nella matrice o separati)
• analisi dispersione delle particelle
• analisi composizione chimica (elementi)
• analisi mappatura degli elementi chimici
• analisi dimensionali (puntuale o statistica)

Restando nell’ambito di materiali polimerici, e di compound basati su questi, passiamo ora ad analizzare alcuni esempi reali (“case history”) ove la tecnica SEM-EDX ha permesso una valutazione di peculiare utilità o interesse.

Un primo caso è quello relativo all’analisi di una parte stampata ad iniezione che è risultata non conforme, presentando una rottura (questo è un tipico caso in cui un’analisi morfologia è specificamente indicata e piuttosto comune).

Il materiale utilizzato è un compound base PBT (polibutilentereftalato) contenente additivi autoestinguenti alogenati, senza cariche o fibre.

In prima battuta tramite l’analisi degli elementi (possibilmente ripetuta in più punti del pezzo non conforme) è possibile verificare che gli elementi individuati sono coerenti con la composizione prevista del materiale: per esempio si evidenzia la presenza, in quantitativi significativi, di Bromo e Antimonio (tipici elementi presenti negli additivi autoestinguenti e nei sinergici che spesso compongono i sistemi autoestinguenti alogenati) come appare dallo spettro e tabella sotto riportati:

Verificato, pur indirettamente, che il pezzo non conforme sia ragionevolmente prodotto con il materiale previsto (ulteriori verifiche in questo senso, se reputate necessarie, possono essere effettuate con altre tecniche, quali FT-IR, DSC, ecc.), e quindi che non si sia rotto perché magari non prodotto con il materiale idoneo, l’analisi morfologica effettuata in vari punti vicino alla zona di frattura genera delle immagini di specifico interesse.

Infatti, da una serie di immagini relative al pezzo che si è rotto, si evidenzia in maniera chiara che sono presenti delle bolle/micro vuoti che sicuramente possono essere per lo meno una concausa (anche se magari non l’unica causa) della fragilità del pezzo (Immagine 1 e 2).

Immagine 1: zona con presenza di bolle (con analisi dimensionale)

Immagine 2: altra zona con presenza di microbolle (con analisi dimensionale)

La presenza di difetti di questo tipo può, chiaramente, essere dovuta a vari motivi (per esempio umidità del materiale durante la trasformazione, cioè durante lo stampaggio ad iniezione in questo caso) e, grazie alla microscopia SEM-EDX, è stato possibile evidenziare una struttura morfologica difforme fra le parti conformi e quelle rotte (non conformi).

Un altro caso, simile ma non identico, è relativo ad una parte prodotta con un compound PA66 (poliammide 66) con il 50% di fibra vetro.

Anche in questo caso l’area oggetto di analisi è una parte che si è rotta dopo una serie di cicli di funzionamento quindi, nella sostanza, dopo essere stata sottoposta a sollecitazione a fatica.

L’analisi della superficie di frattura del pezzo rotto (Immagine 3) e della superficie di frattura di un pezzo conforme (Immagine 4) dove la frattura è stata volutamente indotta (in posizione analoga) mostra una morfologia chiaramente diversa per i due pezzi (per il pezzo rotto la superficie pare più continua e meno frastagliata come se ci fosse stato un riscaldamento locale, cosa che risulta evidenziata anche dalla microscopia ottica).

 Immagine 3: superficie frattura pezzo rotto (PA66 con 50% fibra vetro)

Immagine 4: Superficie frattura pezzo conforme (frattura indotta) (PA66 con 50% fibra vetro)

La diversa morfologia delle parti conformi e non, è indice di un diverso comportamento del materiale nelle condizioni di sollecitazione.

Sono inoltre evidenziate nelle immagini delle superfici di rottura, per ambo i pezzi, alcune analisi dimensionali (puntuali) delle fibre vetro visibili sulla superficie.

Da ultimo consideriamo il caso in cui sia di interesse valutare l’omogeneità (su scala microscopica, con ripetizione della misura in vari punti) del contenuto di uno specifico elemento correlabile alla composizione prevista di un dato materiale.

Su un provino stampato ad iniezione con un compound base PA66, non rinforzato né caricato, contenente un sistema autoestinguente che include un additivo autoestinguente bromurato, l’analisi SEM-EDX evidenzia la presenza di Bromo (in giallo) e la mappatura degli elementi mostra una presenza di Bromo distribuito in maniera omogenea nelle zone analizzate (Immagine 5).

In maniera qualitativa è anche possibile (si veda anche al link https://rdlab137.it/it/2019-06-06-09-01-40/polistirene-bromurato-una-valutazione-qualitativa-del-contenuto-di-bromo-tramite-sem-edx.html ) la valutazione del quantitativo di Bromo contenuto nel compound.

Immagine 5: mappatura elementi per compound PA66 non rinforzato contenente sistema autoestinguente bromurato

In conclusione, questi sono solo alcuni esempi dei plurimi casi reali in cui la valutazione della morfologia e mappatura degli elementi può essere di supporto per la valutazione di comuni problematiche specifiche.

In RDLab137 è disponibile un microscopio elettronico di ultima generazione che è stato utilizzato nei casi citati e che è disponibile per valutazioni di questo tipo e per quelle ulteriori valutazioni legate alle potenzialità della tecnica (come indicate inizialmente).

Ing. Luca Ciceri - RDLAB137 srl

Ultima revisione: 08/04/2022