塑料件應(yīng)力開(kāi)裂原因分析及檢測(cè)方法簡(jiǎn)述

1、塑料件應(yīng)力開(kāi)裂原因分析及檢測(cè)方法簡(jiǎn)述 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(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力開(kāi)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(kāi)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(lái)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(lèi)： （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(guò)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)在塑料制品內(nèi)也就

2、意味著其中存在未松弛的可 逆高彈形變，所以說(shuō)取向應(yīng)力就是大分子鏈從取向構(gòu)象力圖過(guò)渡到無(wú)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(lái)越小，并呈拋物線(xiàn)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(guò)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(duì)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(lái)越大，并也呈拋物線(xiàn)變化。另外，帶金屬嵌件的塑料制品，由 于金屬與塑料的熱脹系數(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(kāi)裂是聚烯烴類(lèi)塑料的特有現(xiàn)象，它是指當(dāng)制品存在應(yīng)力時(shí)，與某些活性介質(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(lèi)、水、油、 酸、堿、鹽及對(duì)材料并無(wú)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^(guò)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)與水汽發(fā)生催化裂化反應(yīng)，使制件發(fā)生大的應(yīng)變 從而開(kāi)裂。 （4 ） 其它 對(duì)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(tīng)占比重都很小。 PC/ABS 內(nèi)應(yīng)力開(kāi)裂

4、微觀分析 分子鏈剛性越大，熔體粘度越高，聚合物分子鏈活動(dòng)性差，因而對(duì)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(kāi)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(shì)，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(shuō)的應(yīng)力開(kāi)裂現(xiàn)象。尤其是 回收的 PC ，由于回收 PC 的相對(duì)分子質(zhì)量下降，相對(duì)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(kāi)裂現(xiàn)象。 幾種常

5、見(jiàn)聚合物的內(nèi)應(yīng)力大小順序 : PPOPSFPCABSPA6PPHDPE 塑料內(nèi)應(yīng)力的降低與分散 （1 ） 前期原料的選擇 a ）選取分子量大、分子量分布窄的樹(shù)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(kāi)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(kāi)裂。 b ）選取雜質(zhì)含量低的樹(shù)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(kāi)裂的樹(shù)脂與適宜的其它樹(shù)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 P

6、C 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。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(kāi)裂能力。例如， 30%GFPC 的耐應(yīng)力開(kāi)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(guò)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

7、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(duì)內(nèi)應(yīng)力影響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(mǎn)型腔過(guò)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(guò)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(duì)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

8、具溫度過(guò)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(guò)低，熔體進(jìn)入模其后，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(guò)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(duì)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

9、起更大的取向應(yīng)力。但注射速 度過(guò)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(xiàn)，易產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi) 裂。所以注射速度以適中為宜。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(zhǎng)，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(zhǎng)和補(bǔ)料量增加而顯著增大。 開(kāi)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(kāi)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。

10、對(duì)于高聚物分子鏈的剛性較大、玻璃化溫度較高的注塑件；對(duì)壁厚較大和帶金屬嵌件的制 件；對(duì)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)力較大而又不易自消的制件以及 經(jīng)過(guò)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 或低于熱變形溫度 510 。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(zhǎng)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(duì)降低內(nèi)應(yīng)力、改善

11、制件性能的效果更明顯。此外， 提高模具溫度，延長(zhǎng)制件在模內(nèi)冷卻時(shí)間，脫模后進(jìn)行保溫處理都有類(lèi)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，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(duì)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(duì)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

12、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(guò)渡。 合理設(shè)計(jì)金屬嵌件 塑料與金屬的熱膨脹系數(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?chē)乃芰蟽?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. 盡可能選擇與塑料熱膨脹系數(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(duì)金屬嵌件進(jìn)行表面脫脂化

13、處理，可以防止油脂加速制品的應(yīng)力開(kāi)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?chē)芰系暮穸纫渥?。例如，嵌件外徑為D ，嵌件周?chē)芰虾穸葹?h，則對(duì)鋁嵌件 塑料厚度 h0.8D ；對(duì)于銅嵌件，塑料厚度 h0.9 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(duì)內(nèi)應(yīng)力集中程度產(chǎn)生很大的影響。為避免應(yīng)力 開(kāi)裂，切忌在塑料制品上開(kāi)設(shè)棱形、矩形、方形或多邊形孔。應(yīng)盡可能開(kāi)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(zhǎng)軸平行于外力作用方向。如開(kāi)設(shè)圓孔，可增開(kāi)等直徑的 工藝圓孔，并使相鄰兩圓孔的中心連接線(xiàn)平行于

14、外力作用方向，這樣可以取得與橢圓孔相似的 效果；還有一種方法，即在圓孔周?chē)_(kāi)設(shè)對(duì)稱(chēng)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(duì)塑料制品的內(nèi)應(yīng)力影響較大，在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng) 注意如下幾點(diǎn)。 澆口尺寸 過(guò)大的澆口將需要較長(zhǎng)的保壓補(bǔ)料時(shí)間，在降溫過(guò)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(guò)小的澆口將導(dǎo)致充模時(shí)間延 長(zhǎng)，造成制品缺料。 澆口的位置 澆口的位置決定廠(chǎng)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

15、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(zhǎng)，產(chǎn)生取向應(yīng)力的幾率越大。為此，對(duì)于壁厚、長(zhǎng)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

16、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/ABS 內(nèi)應(yīng)力開(kāi)裂測(cè)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(kāi)裂時(shí)間。內(nèi)應(yīng)力開(kāi)裂測(cè)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 0S, 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(shuō)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)

17、 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 , 時(shí)間至少 4 小時(shí)以。 2. PC 對(duì)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 .（ 最好不要超過(guò) 350 ）,適當(dāng)提高溫度料筒溫度對(duì) PC 塑化有好處 . 3. 模溫控制 :85120 ,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(kāi)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 ,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 注塑后處理 : 用 PE 料過(guò)機(jī) 附 2 ：高