肖訓(xùn)華：塑膠件內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因及PCABS內(nèi)應(yīng)力開裂微觀分析

1、肖訓(xùn)華：塑膠件內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因及 PC/ABS內(nèi)應(yīng)力開裂微觀分析幾乎所有塑料制品都會(huì)不同程度地存在內(nèi)應(yīng)力，尤其是塑料注射制品的內(nèi)應(yīng)力更為明顯。 內(nèi)應(yīng)力的存在不僅使塑料制品在儲(chǔ)存和使用過程中出現(xiàn)應(yīng)力開裂和翹曲變形，也影響塑料制品 的力學(xué)性能、光學(xué)性能、電學(xué)性能及外觀質(zhì)量等。應(yīng)力開裂的必要條件 是試樣或零件內(nèi)存在應(yīng)力，并存在某種應(yīng)力集中因素如缺口、表面劃傷 等。那么塑件應(yīng)力從何而來呢？ 塑膠件內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因 依引起內(nèi)應(yīng)力的原因不同，可將內(nèi)應(yīng)力分成如下幾類：（1）取向內(nèi)應(yīng)力取向內(nèi)應(yīng)力是塑料熔體在流動(dòng)充模和保壓補(bǔ)料過程中，大分子鏈沿流動(dòng)方向排列定向構(gòu)象被 凍結(jié)而產(chǎn)生的一種內(nèi)應(yīng)力。取向的大分子鏈凍結(jié)在

2、塑料制品內(nèi)也就意味著其中存在未松弛的可 逆高彈形變，所以說取向應(yīng)力就是大分子鏈從取向構(gòu)象力圖過渡到無取向構(gòu)象的內(nèi)力。塑料制 品的取向內(nèi)應(yīng)力分布為從制品的表層到內(nèi)層越來越小，并呈拋物線變化。（2）冷卻內(nèi)應(yīng)力冷卻內(nèi)應(yīng)力是塑料制品在熔融加工過程中因冷卻定型時(shí)收縮不均勻而產(chǎn)的一種內(nèi)應(yīng)力。尤其 對厚壁塑料制品，塑料制品的外層首先冷卻凝固收縮，其內(nèi)層可能還是熱熔體，這徉芯層就會(huì) 限制表層的收縮，導(dǎo)致芯層處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而表層處于拉應(yīng)力狀態(tài)。塑料制品冷卻內(nèi)應(yīng)力的 分布為從制品的表層到內(nèi)層越來越大，并也呈拋物線變化。另外，帶金屬嵌件的塑料制品，由 于金屬和塑料的熱脹系數(shù)相差較大，容易形成收縮不一均勻的內(nèi)應(yīng)力。

3、（3）環(huán)境應(yīng)力環(huán)境應(yīng)力開裂是聚烯烴類塑料的特有現(xiàn)象，它是指當(dāng)制品存在應(yīng)力時(shí)，和某些活性介質(zhì)接 觸，會(huì)出現(xiàn)脆性裂紋，最終可能導(dǎo)致制品破壞。這些活性物質(zhì)可以是洗滌劑、皂類、水、油、 酸、堿、鹽及對材料并無顯著溶脹作用的有機(jī)溶劑。原料混有其它雜質(zhì)或摻雜不適當(dāng)?shù)幕蜻^量 的溶劑或其它添加劑時(shí)，在某些應(yīng)力集的位置就會(huì)導(dǎo)致裂紋。有些塑料如ABS等，在受潮狀況下加熱會(huì)和水汽發(fā)生催化裂化反應(yīng)，使制件發(fā)生大的應(yīng)變 從而開裂。（4）其它對于結(jié)晶塑料制品而言，其制品部各部位的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度不同也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。另外還 有構(gòu)型內(nèi)應(yīng)，力及脫模內(nèi)應(yīng)力等，只是其內(nèi)應(yīng)力聽占比重都很小。PC/ABS內(nèi)應(yīng)力開裂微觀分析分子鏈剛性越

4、大，熔體粘度越高，聚合物分子鏈活動(dòng)性差，因而對于發(fā)生的可逆高彈形變 恢復(fù)性差，易產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。例如一些分子鏈中含有苯環(huán)的聚合物，如PC、PPO、PPS等，其相應(yīng)制品的內(nèi)應(yīng)力偏大。PC材料容易內(nèi)應(yīng)力開裂是它本身分子結(jié)構(gòu)決定，那就是聚碳酸酯分子結(jié)構(gòu)中有苯環(huán)，所以 取向比較困難。在成型后，被取向的鏈節(jié)有恢復(fù)自然狀態(tài)的趨勢，但是由于分子鏈節(jié)已被凍結(jié) 和分子鏈之間作用力，從而可能造成制品存在應(yīng)力，這就是大家常說的應(yīng)力開裂現(xiàn)象。尤其是 回收的PC，由于回收PC的相對分子質(zhì)量下降，相對分子質(zhì)量分布變寬，少量存在的水分、顏 料、雜質(zhì)、溶劑等極易引發(fā)開裂現(xiàn)象。幾種常見聚合物的內(nèi)應(yīng)力大小順序：PP0PSFPCA

5、BSPA6PPHDPE塑料內(nèi)應(yīng)力的降低和分散（1）前期原料的選擇a ）選取分子量大、分子量分布窄的樹脂聚合物分子量越大，大分子鏈間作用力和纏結(jié)程度增加，其制品抗應(yīng)力開裂能力較強(qiáng)；聚合 物分子量分布越寬，其中低分子量成分越大，容易首先形成微觀撕裂，造成應(yīng)力集中，便制品 開裂。b ）選取雜質(zhì)含量低的樹脂聚合物內(nèi)的雜質(zhì)即是應(yīng)力的集中體，又會(huì)降低塑料的原有強(qiáng)度，應(yīng)將雜質(zhì)含量減少到最低程 度。c ）共混改性易出現(xiàn)應(yīng)力開裂的樹脂和適宜的其它樹脂共混，可降低內(nèi)應(yīng)力的存在程度。例如，在PC中混入適量PS，PS呈近似珠粒狀分散于 PC連續(xù)相中，可使內(nèi)應(yīng)力沿球面分散緩解并阻止裂紋 擴(kuò)展，從而達(dá)到降低內(nèi)應(yīng)力的目的。

6、再如，在PC中混入適量PE , PE球粒外沿可形成封閉的空化區(qū)，也可適當(dāng)降低內(nèi)應(yīng)力。d ）增強(qiáng)改性用增強(qiáng)纖維進(jìn)行增強(qiáng)改性，可以降低制品的內(nèi)應(yīng)力，這是因?yàn)槔w維纏結(jié)了很多大分子鏈， 從而提高應(yīng)力開裂能力。例如，30%GFPC的耐應(yīng)力開裂能力比純 PC提高6倍之多。e ）成核改性在結(jié)晶性塑料中加入適宜的成核劑，可以在其制品中形成許多小的球晶，使內(nèi)應(yīng)力降低并得 到分散。（2）成型加工條件的控制在塑料制品的成型過程中，凡是能減小制品中聚合物分子取向的成型因素都能夠降低取向應(yīng) 力；凡是能使制品中聚合物均勻冷卻的工藝條件都能降低冷卻內(nèi)應(yīng)力；凡有助于塑料制品脫模 的加工方法都有利于降低脫模內(nèi)應(yīng)力。對內(nèi)應(yīng)力影響

7、較大的加工條件主要有如下幾種： 料筒溫度較高的料筒溫度有利于取向應(yīng)力的降低，這是因?yàn)樵谳^高的料筒溫度，熔體塑化均勻，粘度 下降，流動(dòng)性增加，在熔體充滿型腔過程中，分子取向作用小，因而取向應(yīng)力較小。而在較低 料筒溫度下，熔體粘度較高，充模過程中分子取向較多，冷卻定型后殘余內(nèi)應(yīng)力則較大。但 是，料筒溫度太高也不好，太高容易造成冷卻不充分，脫模時(shí)易造成變形，雖然取向應(yīng)力減 小，但冷卻應(yīng)力和脫模應(yīng)力反而增大。 模具溫度模具溫度的高低對取向內(nèi)應(yīng)力和冷卻內(nèi)應(yīng)力的影響都很大。一方面，模具溫度過低，會(huì)造成 冷卻加快，易使冷卻不均勻而引起收縮上的較大差異，從而增大冷卻內(nèi)應(yīng)力；另一方面，模具 溫度過低，熔體進(jìn)入模

8、其后，溫度下降加快，熔體粘度增加迅速，造成在高粘度下充模，形成 取向應(yīng)力的程度明顯加大。 注射壓力注射壓力高，熔體充模過程中所受剪切作用力大，產(chǎn)生取向應(yīng)力的機(jī)會(huì)也較大。因此，為 了降低取向應(yīng)力和消除脫模應(yīng)力，應(yīng)適當(dāng)降低注射壓力。 保壓壓力保壓壓力對塑料制品內(nèi)應(yīng)力的影響大于注射壓力的影響。在保壓階段，隨著熔體溫度的降 低，熔體粘度迅速增加，此時(shí)若施以高壓，必然導(dǎo)致分子鏈的強(qiáng)迫取向，從而形成更大的取向 應(yīng)力。 注射速度注射速度越快，越容易造成分子鏈的取向程度增加，從而引起更大的取向應(yīng)力。但注射速 度過低，塑料熔體進(jìn)入模腔后，可能先后分層而形成熔化痕，產(chǎn)生應(yīng)力集中線，易產(chǎn)生應(yīng)力開 裂。所以注射速度以

9、適中為宜。最好采用變速注射，在速度逐漸減小下結(jié)束充模。 保壓時(shí)間保壓時(shí)間越長，會(huì)增大塑料熔體的剪切作用，從而產(chǎn)生更大的彈性形變，凍結(jié)更多的取向 應(yīng)力。所以，取向應(yīng)力隨保壓時(shí)間延長和補(bǔ)料量增加而顯著增大。 開模殘余壓力應(yīng)適當(dāng)調(diào)整注射壓力和保壓時(shí)間，使開模時(shí)模內(nèi)的殘余壓力接近于大氣壓力，從而避免產(chǎn) 生更大的脫模內(nèi)應(yīng)力。(3) 塑料制品的熱處理塑料制品的熱處理是指將成型制品在一定溫度下停留一段時(shí)間而消除內(nèi)應(yīng)力的方法。熱處 理是消除塑料制品內(nèi)取向應(yīng)力的最好方法。對于高聚物分子鏈的剛性較大、玻璃化溫度較高的注塑件；對壁厚較大和帶金屬嵌件的制 件；對使用溫度范圍較寬和尺寸精度要求較高的制件；時(shí)內(nèi)應(yīng)力較大而

10、又不易自消的制件以及 經(jīng)過機(jī)械加工的制件都必須進(jìn)行熱處理。常采用的熱處理溫度高于制件使用溫度1020 C或低于熱變形溫度 510 C。一般厚度的制件，熱處理12小時(shí)即可。提高熱處理溫度和延長熱處理時(shí)間具有相似的效果，但溫度的效果 更明顯些。熱處理方法是將制件放入水、甘油、礦物油、乙二醇和液體石蠟等液體介質(zhì)中，或 放入空氣循環(huán)烘箱中加熱到指定溫度，并在該溫度下停留一定時(shí)間，然后緩慢冷卻到室溫。實(shí) 驗(yàn)表明，脫模后的制件立即進(jìn)行熱處理，對降低內(nèi)應(yīng)力、改善制件性能的效果更明顯。此外， 提高模具溫度，延長制件在模內(nèi)冷卻時(shí)間，脫模后進(jìn)行保溫處理都有類似熱處理的作用。盡管熱處理是降低制件內(nèi)應(yīng)力的有效辦法之一

11、，但熱處理通常只能將內(nèi)應(yīng)力降低到制件使 用條件允許的范圍，很難完全消除內(nèi)應(yīng)力。(4) 塑料制品的設(shè)計(jì) 塑料制品的形狀和尺寸為了有效地分散內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)遵循這樣的原則：制品外形應(yīng)盡可能保持連續(xù)性，避免銳角、 直角、缺口及突然擴(kuò)大或縮小。對于塑料制品的邊緣處應(yīng)設(shè)計(jì)成圓角，其中內(nèi)圓角半徑應(yīng)大于 相鄰兩壁中薄者厚度的 70%以上；外圓角半徑則根據(jù)制品形狀而確定。對于壁厚相差較大的部 位，因冷卻速度不同，易產(chǎn)生冷卻內(nèi)應(yīng)力及取向內(nèi)應(yīng)力。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)成壁厚盡可能均勻的制 件，如必須壁厚不均勻，則要進(jìn)行壁厚差異的漸變過渡。 合理設(shè)計(jì)金屬嵌件塑料和金屬的熱膨脹系數(shù)相差 510倍，因而帶金屬嵌件的塑料制品在冷卻時(shí)，兩

12、者形成的 收縮程度不同，因塑料的收縮比較大而緊緊抱住金屬嵌件，在嵌件周圍的塑料內(nèi)層受壓應(yīng)力， 而外層受拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。在具體設(shè)汁嵌件時(shí)，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)，以幫助減小 或消除內(nèi)應(yīng)力。a. 盡可能選擇塑料件作為嵌件。b. 盡可能選擇和塑料熱膨脹系數(shù)相差小的金屬材料做嵌件材料，如鋁、鋁合金及銅等。c. 在金屬嵌件上涂覆一層橡膠或聚氨酯彈性緩沖層，并保證成型時(shí)涂覆層不熔化，可降低兩者收 縮差。d. 對金屬嵌件進(jìn)行表面脫脂化處理，可以防止油脂加速制品的應(yīng)力開裂。e. 金屬嵌件進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱處理。f. 金屬嵌件周圍塑料的厚度要充足。例如，嵌件外徑為D，嵌件周圍塑料厚度為 h,則對鋁嵌件塑料厚度

13、h 0.8D ;對于銅嵌件，塑料厚度 h 0.9 D。g. 金屬嵌件應(yīng)設(shè)計(jì)成圓滑形狀，最好帶精致的滾花紋。 塑料制品上孔的設(shè)計(jì)塑料制品上孔的形狀、孔數(shù)及孔的位置都會(huì)對內(nèi)應(yīng)力集中程度產(chǎn)生很大的影響。為避免應(yīng)力 開裂，切忌在塑料制品上開設(shè)棱形、矩形、方形或多邊形孔。應(yīng)盡可能開設(shè)圓形孔，其中橢圓 形孔的效果最好，并應(yīng)使橢圓形孔的長軸平行于外力作用方向。如開設(shè)圓孔，可增開等直徑的 工藝圓孔，并使相鄰兩圓孔的中心連接線平行于外力作用方向，這樣可以取得和橢圓孔相似的 效果；還有一種方法，即在圓孔周圍開設(shè)對稱的槽孔，以分散內(nèi)應(yīng)力。(5) 塑料模具的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)塑料模具時(shí)，澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)對塑料制品的內(nèi)應(yīng)力影

14、響較大，在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng) 注意如下幾點(diǎn)。澆口尺寸過大的澆口將需要較長的保壓補(bǔ)料時(shí)間，在降溫過程中的補(bǔ)料流動(dòng)必定會(huì)凍結(jié)更多的取向應(yīng) 力，尤其是在補(bǔ)填冷料時(shí)，將給澆口附近造成很大的內(nèi)應(yīng)力。適當(dāng)縮小澆口尺寸，可縮短保壓 補(bǔ)料時(shí)間，降低澆口凝封時(shí)模內(nèi)壓力，從而降低取向應(yīng)力。但過小的澆口將導(dǎo)致充模時(shí)間延 長，造成制品缺料。 澆口的位置澆口的位置決定廠塑料熔體在模腔內(nèi)的流動(dòng)情況、流動(dòng)距離和流動(dòng)方向。當(dāng)澆口設(shè)在制品壁 厚最大部位時(shí)，可適當(dāng)降低注射壓力、保壓壓力及保壓時(shí)間，有利于降低取向應(yīng)力。當(dāng)澆口設(shè) 在薄壁部位時(shí)，宜適當(dāng)增加澆口處的壁厚，以降低澆口附近的取向應(yīng)力。熔體在模腔內(nèi)流動(dòng)距 離越長，產(chǎn)生取向應(yīng)力的幾率

15、越大。為此，對于壁厚、長流程且面積較大的塑料件，應(yīng)適當(dāng)分 布多個(gè)澆口，能有效地降低取向應(yīng)力，防止翹曲變形。另外，由于澆口附近為內(nèi)應(yīng)力多發(fā)地帶，可在澆口附近設(shè)汁成護(hù)耳式澆日，使內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生在 護(hù)耳中，脫模后切除內(nèi)應(yīng)力較大的護(hù)耳，可降低塑料制品內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力。 流道的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)短而粗的流道，可減小熔體的壓力損失和溫度降，相應(yīng)降低注射壓力和冷卻速度，從而 降低取向應(yīng)力和冷卻壓力。 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)冷卻水道的分布要合理，使?jié)部诟浇?、遠(yuǎn)離澆口區(qū)、壁厚處、壁薄處都得到均勻且緩慢的冷卻，從而降低內(nèi)應(yīng)力， 頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)拿撃ｅF度，較高的型芯光潔度和較大面積的頂出部位，以防止強(qiáng)行脫模產(chǎn)生脫模 應(yīng)力。PC/AB

16、S內(nèi)應(yīng)力開裂測試方法(醋酸浸泡法)在室溫下用冰醋酸或四氯化碳溶劑浸泡未經(jīng)退火處理的帶螺絲部件的注塑制品，從放入溶 劑中到出現(xiàn)裂紋的時(shí)間，記為應(yīng)力開裂時(shí)間。內(nèi)應(yīng)力開裂測試方法舉例：將做好帶有螺絲槽或柱的 PC制品完全浸泡于25OC的冰醋酸中3 OS,取出后晾干后檢查表 面，仔細(xì)檢查外觀，如有細(xì)小致密的裂紋，說明此處有內(nèi)應(yīng)力存在，裂紋越多，內(nèi)應(yīng)力越大。 附1 : PC注塑工藝要點(diǎn)1. PC水極其敏感，所以注塑前必須充分干燥，使其含水量降低到 0.02%以下.PC 一般干燥條件:100120 C ,時(shí)間至少4小時(shí)以。2. PC對溫度也很敏感，熔體粘度隨溫度升高而明顯下降，料筒溫度：250320 C.（最好不要超過350 C ）,適當(dāng)提高溫度料筒溫度對PC塑化有好處.3. 模溫控制：85120 C,模溫高以減少模溫及 PC料溫的差異，可以降低制件的內(nèi)應(yīng)力.4流動(dòng)性差，需用高壓注射，但需顧及膠件殘留大的內(nèi)應(yīng)力（可能導(dǎo)致開裂），注射速度：壁厚取中速，壁薄取高速.5. 必要時(shí)內(nèi)應(yīng)力退火，烘爐溫度125135 C,時(shí)間2小時(shí)，自然冷卻到常溫6. PC注塑，模具要求較高：1）設(shè)計(jì)盡可能粗而短，彎曲位少的流道，用圓形截面分流道及流道研磨拋光等為使降低熔料的流 動(dòng)阻力2）注射澆口可采用任何形式的澆口，但入水位直徑不小于 1.5mm.7. PC注塑后處