Forensische Polymertechnik

Die forensische Polymertechnik befasst sich mit dem Versagen von Polymerprodukten . Dazu gehören Brüche von Kunststoffprodukten sowie alle anderen Ursachen für deren Versagen im Gebrauch oder das Nichterfüllen ihrer Spezifikationen . Im Fokus stehen die materiellen Beweismittel von Tatorten und Unfallstellen. Dabei werden Materialfehler gesucht, die die Unfallursache erklären oder die Herkunft eines bestimmten Materials zur Identifizierung eines Täters aufzeigen könnten. Für die Polymeridentifizierung kommen zahlreiche Analysemethoden zum Einsatz. Die Auswahl der Methoden hängt von der Art des jeweiligen Polymers ab, beispielsweise ob es sich um ein Duroplast , einen Thermoplasten , einen Elastomer oder einen Verbundwerkstoff handelt.

Ein Aspekt ist die Analyse von Spuren wie Bremsspuren auf freiliegenden Oberflächen. Hierbei hinterlässt der Kontakt zwischen unterschiedlichen Materialien Spuren des einen auf dem anderen. Können diese Spuren erfolgreich analysiert werden, lässt sich ein Unfall oder ein Verbrechen oft rekonstruieren.

Thermoplaste lassen sich mittels Infrarotspektroskopie , UV/Vis-Spektroskopie , Kernspinresonanzspektroskopie und Rasterelektronenmikroskopie analysieren . Fehlerhafte Proben können entweder in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst und direkt untersucht werden (UV-, IR- und NMR-Spektroskopie) oder als dünner Film aus dem Lösungsmittel gegossen oder mittels Mikrotomie aus dem festen Produkt geschnitten werden. Die Infrarotspektroskopie ist besonders nützlich zur Beurteilung der Polymeroxidation, beispielsweise des durch fehlerhaftes Spritzgießen verursachten Polymerabbaus . Das Spektrum zeigt die charakteristische Carbonylgruppe, die durch Oxidation von Polypropylen entsteht und das Produkt spröde macht . Es handelte sich um einen kritischen Bestandteil einer Krücke; als dieser versagte, stürzte die Benutzerin und verletzte sich schwer. Das Spektrum wurde von einem dünnen Film gewonnen, der aus einer Lösung einer Kunststoffprobe der defekten Unterarmkrücke gegossen wurde .

Die Mikrotomie ist vorzuziehen, da keine Komplikationen durch Lösungsmittelaufnahme auftreten und die Integrität der Probe teilweise erhalten bleibt. Duroplaste , Verbundwerkstoffe und Elastomere können aufgrund ihrer Unlöslichkeit oft allein mittels Mikrotomie untersucht werden.

Gebrochene Produkte lassen sich mittels Fraktografie untersuchen , einer besonders nützlichen Methode zur Untersuchung aller gebrochenen Bauteile mithilfe von Makrofotografie und optischer Mikroskopie . Obwohl Polymere in der Regel ganz andere Eigenschaften als Metalle , Keramiken und Gläser aufweisen , sind sie bei mangelhafter Konstruktion oder Fertigung ebenso anfällig für Schäden durch mechanische Überlastung , Ermüdung und Spannungsrisskorrosion .

Die Rasterelektronenmikroskopie (REM ) oder ESEM eignet sich besonders gut zur Untersuchung von Bruchflächen und ermöglicht zudem die Elementanalyse der betrachteten Probenbereiche. Sie ist im Prinzip eine Mikroanalysetechnik und wertvoll für die Untersuchung von Spuren . Allerdings liefert die ESEM keine Farbwiedergabe und keine Informationen über die Art der Bindung der Elemente. Da die Proben einem Teilvakuum ausgesetzt werden, können flüchtige Bestandteile entfernt werden und die Oberflächen durch Substanzen, die zur Fixierung der Probe verwendet wurden, verunreinigt sein.

Viele Polymere werden durch bestimmte Chemikalien in der Umwelt angegriffen, was zu schwerwiegenden Problemen wie Verkehrsunfällen und Personenschäden führen kann . Der Polymerabbau führt zur Versprödung der Proben und zum Bruch bereits unter geringen Belastungen.

Polymere können beispielsweise durch aggressive Chemikalien angegriffen werden. Unter Belastung breiten sich Risse durch Spannungsrisskorrosion aus . Das wohl älteste bekannte Beispiel ist die Ozonrissbildung bei Kautschuk . Hierbei greifen Spuren von Ozon in der Atmosphäre die Doppelbindungen in den Kautschukketten an. Zu den Elastomeren mit Doppelbindungen in ihren Ketten gehören Naturkautschuk , Nitrilkautschuk und Styrol-Butadien- Kautschuk. Sie alle sind sehr anfällig für Ozonangriffe und können Probleme wie Fahrzeugbrände (durch Kraftstoffleitungen aus Gummi) und Reifenplatzer verursachen . Heutzutage werden diesen Polymeren häufig Ozonschutzmittel zugesetzt, wodurch die Rissbildung zurückgegangen ist. Dennoch sind nicht alle sicherheitskritischen Kautschukprodukte geschützt, und da bereits Ozonkonzentrationen im ppb -Bereich einen Angriff auslösen, treten weiterhin Schäden auf.

Ein weiteres hochreaktives Gas ist Chlor , das empfindliche Polymere wie Acetalharz und Polybutylenrohre angreift . In den USA gab es zahlreiche Fälle, in denen solche Rohre und Acetalfittings aufgrund von chlorinduzierter Rissbildung versagten. Das Gas attackiert empfindliche Bereiche der Polymerketten (insbesondere sekundäre, tertiäre oder allylische Kohlenstoffatome), oxidiert die Ketten und führt letztendlich zu deren Spaltung. Die Hauptursache sind Spuren von Chlor im Trinkwasser, das aufgrund seiner antibakteriellen Wirkung zugesetzt wird. Der Angriff erfolgt bereits bei geringsten Konzentrationen des gelösten Gases. Das Chlor greift die Schwachstellen eines Produkts an. Im Fall einer Acetalharzverbindung in einem Wasserversorgungssystem wurden zunächst die Gewindegänge angegriffen, wodurch ein spröder Riss entstand. Die Verfärbung der Bruchfläche wurde durch Ablagerungen von Carbonaten aus dem harten Trinkwasser verursacht ; die Verbindung befand sich also bereits seit vielen Monaten in einem kritischen Zustand.

Die meisten Stufenwachstumspolymere können in Gegenwart von Wasser hydrolysiert werden, eine Reaktion, die häufig durch Säuren oder Laugen katalysiert wird . Nylon beispielsweise zersetzt sich und reißt schnell, wenn es starken Säuren ausgesetzt wird – ein Phänomen, das jedem bekannt ist, der versehentlich Säure auf seine Strumpfhose verschüttet hat.

Ein gebrochenes Kraftstoffrohr verursachte einen schweren Unfall, als Dieselkraftstoff aus einem Lieferwagen auf die Straße lief. Ein nachfolgendes Fahrzeug geriet ins Schleudern, und die Fahrerin wurde bei einem Zusammenstoß mit einem entgegenkommenden Lkw schwer verletzt. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM) zeigten, dass der Nylonstecker durch Spannungsrisskorrosion infolge eines geringen Säurelecks gebrochen war . Nylon ist in Kontakt mit Schwefelsäure hydrolyseempfindlich , und bereits ein geringes Säureleck reichte aus, um durch Spannungsrisskorrosion (SRK) einen Sprödbruch in dem spritzgegossenen Stecker auszulösen .

Der Riss benötigte etwa sieben Tage, um sich über den gesamten Rohrdurchmesser auszubreiten. Daher hätte der Fahrer des Lieferwagens das Leck rechtzeitig bemerken müssen, bevor der Riss eine kritische Größe erreichte. Da er dies nicht tat, kam es zu dem Unfall. Die Bruchfläche wies eine überwiegend spröde Oberfläche mit Riefen auf , die auf ein fortschreitendes Wachstum des Risses über den Rohrdurchmesser hindeuteten. Nachdem der Riss die Innenwand des Rohrs durchdrungen hatte, trat Kraftstoff auf die Straße aus. Dieselkraftstoff ist auf Straßenoberflächen besonders gefährlich, da er einen dünnen, für Fahrer schwer erkennbaren Ölfilm bildet. Seine Schmierfähigkeit ähnelt der von Glatteis , weshalb es bei Diesellecks häufig zu Rutschpartien kommt. Die Versicherung des Lieferwagenfahrers erkannte die Haftung an, und der verletzte Fahrer erhielt eine Entschädigung.

Polycarbonat ist anfällig für Alkalihydrolyse, wobei das Material durch diese Reaktion depolymerisiert wird. Polyester neigen bei der Behandlung mit starken Säuren zum Abbau. In all diesen Fällen muss darauf geachtet werden, die Rohstoffe vor der Weiterverarbeitung bei hohen Temperaturen zu trocknen, um dieses Problem zu vermeiden.

Viele Polymere werden durch UV-Strahlung an empfindlichen Stellen ihrer Kettenstruktur angegriffen . Polypropylen beispielsweise neigt unter Sonneneinstrahlung zu starker Rissbildung , sofern keine Antioxidantien zugesetzt werden. Der Angriff erfolgt am tertiären Kohlenstoffatom jeder Wiederholungseinheit, was zu Oxidation und schließlich zum Kettenbruch führt. Auch Polyethylen ist anfällig für UV-bedingten Abbau, insbesondere verzweigte Polymere wie LDPE . Da die Verzweigungspunkte tertiäre Kohlenstoffatome sind , beginnt der Polymerabbau dort und führt zu Kettenbruch und Versprödung. Im rechts gezeigten Beispiel konnten Carbonylgruppen in einem gegossenen Dünnfilm mittels IR-Spektroskopie leicht nachgewiesen werden . Das Produkt war ein im Einsatz gerissener Leitkegel ; viele ähnliche Kegel versagten ebenfalls, weil kein UV-Schutzmittel verwendet worden war.

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