微谱技术分享 | PC塑料失效分析-腐蚀篇

PC塑料失效分析

       聚碳酸酯，又称PC，身居五大工程塑料之一，具有优异的透光性、抗冲击性、电绝缘性、耐候性等。在建材、汽车、电子、航天等行业有广泛的应用。然而，硬币的另一面， PC遇到有机小分子易溶胀、遇到碱性环境易水解、热环境可降解，这些均会导致PC零件、构件、部件的腐蚀、开裂等失效问题。影响产品质量、使用安全、甚至是商誉。

       对PC零部件的失效原因做“解剖”，具有重要的工程、生产、商业价值。

案例分享

PC腐蚀失效的研究过程

       下文举例阐述PC腐蚀失效（如图1）的“解剖”型研究思路，主要分为五步：1.确定分析思路；2.思考解决方案；3设计、执行、完成分析实验；4.凝练分析结论；5. 给出优化建议。

图1 某透明产品及其失效照片

        1、确定分析思路

      （1）“白色附着物”是“环境外来物”侵袭还是材料腐蚀的“产物”？

      （2）“开裂处”是否有材料的降解、化学腐蚀、物质侵入？

      （3）失效位置在空间上与橡胶密封圈或接触或邻近，是否相关，需要获取直接证据。

        2、思考解决方案

      （1）分析本案有关的正常PC材料、橡胶密封圈的成分，获得失效分析的基础对标数据。

      （2） 分析“白色附着物”重点关注是否有PC的降解产物、是否有不属于3.1的全成分分析结果中的成分。

      （3）开裂处电镜分析、物质微萃取分析，查阅开裂与3.1和3.2分析结果的关联。

      （4）经过3.1-3.3的分析，针对性地排查橡胶密封圈中的化学物质在本案中的影响。

      （5） 综合分析所得数据，对本失效案例做出科学的判断，以便客户在后续研发中避免这些风险因素。

       3、设计、执行、完成分析实验

       3.1 全成分分析获得PC材料、橡胶密封圈的成分，作为基础数据，如下表所示橡胶密封圈成分。

        3.2  分析“白色附着物”和开裂位置

        1）SEM-EDS：PC壳体失效处呈现了明显的材料腐蚀的形貌。

        2）FTIR：壳体表面白色物质的红外谱图，除PC外，可见少量的双酚A及双酚A的盐。

       3）NMR：壳体表面白色附着物的NMR谱图，除PC外，可见双酚A的特征出峰。

       4）DSC：正常未老化的PC的Tg-onset为138℃，而老化后的白色物质的Tg-onset为43℃，提示分子量的显著降低。（谱图与对比谱图略）

       5）TGA：~400℃前失重占比26.2%，400-430℃失重占比约10.3%，提示了白色物质中低分子PC和单体双酚A的热失重。（谱图与对比谱图略）

       6）HS-GCMS：橡胶密封条为偶氮二异丁腈（AIBN）发泡的硅橡胶，产品中残留较高含量的发泡剂及发泡剂片段，其水浸泡液呈弱碱性（pH：8.79）。（谱图与对比谱图略）

       4、凝练分析结论

       1）“白色附着物”为中发现了PC碱性条件下的水解生成的双酚A和双酚A盐。

       2）接触的密封条为AIBN发泡的硅橡胶胶条，成品检测到明显的发泡剂及分解片段的残留，呈弱碱性。

       3）残留发泡剂、分解或反应产物，在湿气条件下形成弱碱性环境，对PC造成致命性的腐蚀、降解、破坏。PC件力学性能发生大幅下降，在应力作用下出现开裂。

       5、给出优化建议

       本例中PC接触零件（发泡的硅橡胶密封圈）中残留的物质具有碱性，使PC发生了水解，产生了宏观的失效现象（出现白色附着物）、易开裂。本产品应主动地、优先地去除掉带有发泡剂残留的密封圈这个典型的不利因素。

       通过对样品失效现象的微观探索，可以揭示失效的微观本质，这样可以有效指导生产实践。亦可用于区分清楚各方责任，例如产品设计部门在材料选型的责任，以及橡胶密封圈生产加工方的相关责任。