هندسة البوليمرات الجنائية
 | تتضمن هذه المقالة قائمة بالمراجع أو القراءات ذات الصلة أو الروابط الخارجية ، ولكن مصادرها تظل غير واضحة لأنها تفتقر إلى الاستشهادات المضمنة . ( سبتمبر 2008 ) |
| جزء من سلسلة عن |
| علم الطب الشرعي |
|---|
.png/1280px-Teerahertz_near-field_array_for_%CE%BCm-scale_surface_imaging_(cropped).png) |
|
هندسة البوليمرات الجنائية هي دراسة الفشل في المنتجات البوليمرية . يشمل الموضوع كسر المنتجات البلاستيكية، أو أي سبب آخر لفشل مثل هذا المنتج في الخدمة، أو فشله في تلبية مواصفاته . يركز الموضوع على الأدلة المادية من مسرح الجريمة أو الحادث، والبحث عن عيوب في تلك المواد التي قد تفسر سبب وقوع حادث، أو مصدر مادة معينة لتحديد هوية المجرم. يمكن استخدام العديد من الأساليب التحليلية المستخدمة لتحديد البوليمر في التحقيقات، حيث يتم تحديد المجموعة الدقيقة حسب طبيعة البوليمر المعني، سواء كان صلبًا بالحرارة أو ترموبلاستيكيًا أو مطاطيًا أو مركبًا في طبيعته.
أحد الجوانب هو تحليل آثار الحوادث مثل آثار الانزلاق على الأسطح المكشوفة، حيث يترك التلامس بين مواد مختلفة آثارًا مادية لأحدها على الأخرى. وبشرط أن يتم تحليل الآثار بنجاح، فغالبًا ما يمكن إعادة بناء الحادث أو الجريمة.
طرق التحليل
يمكن تحليل المواد البلاستيكية الحرارية باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء ، ومطيافية الأشعة فوق البنفسجية المرئية ، ومطيافية الرنين المغناطيسي النووي ، والمجهر الإلكتروني الماسح البيئي . يمكن إذابة العينات الفاشلة في مذيب مناسب وفحصها مباشرة (مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء والرنين المغناطيسي النووي) أو يمكن صب طبقة رقيقة من المذيب أو قطعها باستخدام ميكروتومي من المنتج الصلب. يعد مطيافية الأشعة تحت الحمراء مفيدًا بشكل خاص لتقييم أكسدة البوليمرات، مثل تدهور البوليمر الناجم عن القولبة بالحقن الخاطئة . يُظهر الطيف مجموعة الكاربونيل المميزة الناتجة عن أكسدة البولي بروبيلين ، مما جعل المنتج هشًا . كانت جزءًا مهمًا من العكاز، وعندما فشلت، سقطت المستخدم وأصابت نفسها بجروح خطيرة للغاية. تم الحصول على الطيف من طبقة رقيقة مصبوبة من محلول عينة من البلاستيك المأخوذة من عكاز الساعد الفاشل .
يفضل إجراء عملية الميكروتومي نظرًا لعدم وجود مضاعفات ناتجة عن امتصاص المذيبات، كما يتم الحفاظ على سلامة العينة جزئيًا. غالبًا ما يمكن فحص المواد الصلبة بالحرارة والمركبات والإيلاستومرات باستخدام الميكروتومي فقط نظرًا للطبيعة غير القابلة للذوبان لهذه المواد.
كسر
يمكن فحص المنتجات المكسورة باستخدام التصوير الكسور ، وهي طريقة مفيدة بشكل خاص لجميع المكونات المكسورة باستخدام التصوير الماكرو والمجهر الضوئي . على الرغم من أن البوليمرات تمتلك عادةً خصائص مختلفة تمامًا عن المعادن والسيراميك والزجاج ، إلا أنها معرضة بنفس القدر للفشل بسبب التحميل الزائد الميكانيكي والتعب والتآكل الناتج عن الإجهاد إذا تم تصميم المنتجات أو تصنيعها بشكل سيئ.
يُعد المجهر الإلكتروني الماسح أو ESEM مفيدًا بشكل خاص لفحص أسطح الكسور ويمكنه أيضًا توفير تحليل عنصري للأجزاء المرئية من العينة التي يتم فحصها. إنها في الواقع تقنية تحليل مجهري وقيمة لفحص الأدلة الأثرية . من ناحية أخرى، لا يوجد تقديم للألوان في ESEM ، ولا توجد معلومات مقدمة حول الطريقة التي ترتبط بها هذه العناصر ببعضها البعض. ستتعرض العينات لفراغ جزئي، لذلك قد تتم إزالة أي مواد متطايرة، وقد تتلوث الأسطح بالمواد المستخدمة لربط العينة بالحامل.
أمثلة
تتعرض العديد من البوليمرات لهجوم من مواد كيميائية معينة في البيئة، وقد تنشأ مشاكل خطيرة، بما في ذلك حوادث الطرق والإصابات الشخصية . يؤدي تدهور البوليمر إلى هشاشة العينة، والتشقق تحت الأحمال المنخفضة المطبقة.
تكسير الأوزون
على سبيل المثال، يمكن مهاجمة البوليمرات بالمواد الكيميائية العدوانية، وإذا تعرضت للحمل، فإن الشقوق ستنمو من خلال آلية التشقق الناتج عن الإجهاد والتآكل . ولعل أقدم مثال معروف هو تشقق المطاط بسبب الأوزون ، حيث تهاجم آثار الأوزون في الغلاف الجوي الروابط المزدوجة في سلاسل المواد. تشمل الإيلاستومرات ذات الروابط المزدوجة في سلاسلها المطاط الطبيعي ومطاط النتريل ومطاط ستيرين بوتادين . وهي كلها شديدة التأثر بهجوم الأوزون ، ويمكن أن تسبب مشاكل مثل حرائق المركبات (من خطوط الوقود المطاطية) وانفجار الإطارات . في الوقت الحاضر، يتم إضافة مضادات الأوزون على نطاق واسع إلى هذه البوليمرات، لذلك انخفض معدل حدوث التشقق. ومع ذلك، ليست كل منتجات المطاط الحرجة للسلامة محمية، ونظرًا لأن جزء واحد فقط من المليار من الأوزون سيبدأ الهجوم، فإن الأعطال لا تزال تحدث.
التشقق الناتج عن الكلور
وهناك غاز آخر شديد التفاعل وهو الكلور ، والذي يهاجم البوليمرات الحساسة مثل راتنج الأسيتال وأنابيب البولي بوتيلين . وكانت هناك العديد من الأمثلة على فشل هذه الأنابيب والتجهيزات الأسيتالية في الخصائص في الولايات المتحدة نتيجة للتشقق الناجم عن الكلور. ويهاجم الغاز أساسًا الأجزاء الحساسة من جزيئات السلسلة (خاصة ذرات الكربون الثانوية أو الثلاثية أو الأليلية )، مما يؤدي إلى أكسدة السلاسل وفي النهاية التسبب في انقسام السلسلة. والسبب الجذري هو آثار الكلور في إمدادات المياه، المضافة لتأثيره المضاد للبكتيريا، ويحدث الهجوم حتى عند أجزاء من المليون من آثار الغاز المذاب. يهاجم الكلور الأجزاء الضعيفة من المنتج، وفي حالة وصلة راتنج الأسيتال في نظام إمداد المياه، فإن جذور الخيوط هي التي تعرضت للهجوم أولاً، مما تسبب في نمو شق هش. وكان تغير اللون على سطح الكسر ناتجًا عن ترسب الكربونات من إمدادات المياه العسيرة ، لذلك كان المفصل في حالة حرجة لعدة أشهر.
التحلل المائي
يمكن لمعظم البوليمرات ذات النمو التدريجي أن تتعرض للتحلل المائي في وجود الماء، وهو تفاعل غالبًا ما يحفزه حمض أو قلوي . على سبيل المثال، يتحلل النايلون ويتشقق بسرعة إذا تعرض لأحماض قوية، وهي ظاهرة معروفة جيدًا للأشخاص الذين يسكبون حمضًا عن طريق الخطأ على جواربهم الضيقة.
تسبب أنبوب الوقود المكسور في وقوع حادث خطير عندما انسكب وقود الديزل من شاحنة صغيرة على الطريق. انزلقت السيارة التالية وأصيبت السائقة بجروح خطيرة عندما اصطدمت بشاحنة قادمة. أظهر المجهر الإلكتروني الماسح أو SEM أن موصل النايلون قد انكسر بسبب تشقق التآكل الإجهادي بسبب تسرب صغير لحمض البطارية. النايلون عرضة للتحلل المائي عند ملامسته لحمض الكبريتيك ، وكان تسرب صغير فقط من الحمض كافياً لبدء شق هش في الموصل المصبوب بالحقن بواسطة آلية تُعرف باسم تشقق التآكل الإجهادي أو SCC.
استغرق الشق حوالي 7 أيام لينمو عبر قطر الأنبوب، وبالتالي كان من المفترض أن يرى سائق الشاحنة التسرب قبل أن ينمو الشق إلى حجم حرج. لم يفعل، مما أدى إلى وقوع الحادث. أظهر سطح الكسر سطحًا هشًا بشكل أساسي مع خطوط تشير إلى النمو التدريجي للشق عبر قطر الأنبوب. بمجرد اختراق الشق للثقب الداخلي، بدأ الوقود يتسرب إلى الطريق. يعتبر الديزل خطيرًا بشكل خاص على أسطح الطرق لأنه يشكل طبقة زيتية رقيقة لا يمكن للسائقين رؤيتها بسهولة. إنه يشبه الجليد الأسود في قابلية التشحيم، لذلك فإن الانزلاق شائع عند حدوث تسربات الديزل. اعترفت شركات التأمين على سائق الشاحنة بالمسؤولية وتم تعويض السائق المصاب.
البولي كربونات عرضة للتحلل القلوي، حيث يؤدي التفاعل ببساطة إلى تحلل المادة. البوليستر عرضة للتحلل عند معالجته بأحماض قوية، وفي كل هذه الحالات، يجب توخي الحذر لتجفيف المواد الخام للمعالجة في درجات حرارة عالية لمنع حدوث المشكلة.
التدهور بسبب الأشعة فوق البنفسجية
تتعرض العديد من البوليمرات أيضًا للهجوم من الأشعة فوق البنفسجية عند نقاط ضعف في هياكل سلسلتها. وبالتالي، يعاني البولي بروبلين من تشققات شديدة في ضوء الشمس ما لم تتم إضافة مضادات الأكسدة . تحدث نقطة الهجوم عند ذرة الكربون الثالثية الموجودة في كل وحدة متكررة، مما يتسبب في الأكسدة وفي النهاية كسر السلسلة. البولي إيثيلين أيضًا عرضة للتدهور بالأشعة فوق البنفسجية، وخاصة تلك المتغيرات التي هي بوليمرات متفرعة مثل البولي إيثيلين منخفض الكثافة . نقاط التفرع هي ذرات كربون ثالثية ، لذلك يبدأ تدهور البوليمر من هناك ويؤدي إلى انقسام السلسلة وهشاشتها. في المثال الموضح على اليمين، تم الكشف بسهولة عن مجموعات الكربونيل بواسطة مطيافية الأشعة تحت الحمراء من فيلم رقيق مصبوب. كان المنتج عبارة عن مخروط طريق تصدع أثناء الخدمة، كما فشلت العديد من المخاريط المماثلة أيضًا بسبب عدم استخدام مادة مضافة مضادة للأشعة فوق البنفسجية.
انظر أيضا
- التحليل الطيفي التطبيقي
- فشل كارثي
- الأدلة الظرفية
- التشقق الناتج عن الإجهاد البيئي
- الكيمياء الجنائية
- الهندسة الكهربائية الجنائية
- الأدلة الجنائية
- التصوير الجنائي
- الهندسة الجنائية
- هندسة المواد الجنائية
- علم الطب الشرعي
- الفراكتوجرافيا
- تكسير الأوزون
- تحلل البوليمر
- علامة الانزلاق
- التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي
- آثار الأدلة
- التدهور بسبب الأشعة فوق البنفسجية
مراجع
- بيتر ر. لويس وسارة هاينسوورث، فشل خط الوقود بسبب التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي ، تحليل الفشل الهندسي، 13 (2006) 946-962.
- لويس، بيتر رايس، رينولدز، ك، جاج، سي، هندسة المواد الجنائية: دراسات الحالة ، مطبعة سي آر سي (2004).
- رايت، دي سي، التشقق الناتج عن الإجهاد البيئي للبلاستيك RAPRA (2001).
- عزرين، ماير، دليل فشل البلاستيك: السبب والوقاية ، هانسر-SPE (1996).
- لويس، بيتر رايس، هندسة البوليمرات الجنائية: لماذا تفشل المنتجات البوليمرية في الخدمة ، الطبعة الثانية، إلسيفير-وودهيد (2016).
