塑料制品在生產或者使用過程中，都會出現開裂的情況，除了人為施加壓力導致的開裂或斷裂以外，最常見的情況就是因為塑料的內應力。

       為何會出現內應力？如何解決塑料開裂的問題？

 

       一、內應力分類

       按照起內應力的原因不同，可將內應力分成取向內應力、冷卻內應力和環境應力。

       取向內應力：塑料熔體在流動充模和保壓補料過程中，大分子鏈沿流動方向排列定向構象被凍結而產生的；

       冷卻內應力：塑料在注塑冷卻時收縮不均勻產生的；

       環境應力：制品存在應力時，與活性介質（水/酸堿/有機溶劑等）接觸時會出現裂紋。

 

       值得一提的是環境應力。有些塑料如 ABS 等，在受潮狀況下加熱會與水汽發生催化裂化反應，使制件發生大的應變從而開裂。

 

       二、微觀分析：PC 內應力開裂

       下面我們以用量較大、用途較多的 PC 材料為例，進行一次微觀分析。

       PC 材料容易內應力開裂是由于它本身的分子結構所決定的——結構中有苯環，所以取向比較困難。

       在成型后，被取向的鏈節有恢復自然狀態的趨勢，但是由于分子鏈節已被凍結和分子鏈之間作用力，從而可能造成制品存在應力，這就是大家常說的應力開裂現象。

       當前尤其是回收的 PC，由于回收 PC 的相對分子質量下降，相對分子質量分布變寬，少量存在的水分、顏料、雜質、溶劑等極易引發開裂現象。

       幾種常見聚合物的內應力大小順序：PPO > PC > ABS > PA6 > PP > HDPE

 

       三、如何解決塑料內應力問題？

       1、前期原料選擇

       A、選取分子量大、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程度增加，其制品抗應力開裂能力較強；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，造成應力集中，便制品開裂。

       B、選取雜質含量低的樹脂

       聚合物內的雜質即是應力的集中體，又會降低塑料的原有強度，應將雜質含量減少到最低程度。

 

       C、共混改性

       易出現應力開裂的樹脂與適宜的其它樹脂共混，可降低內應力的存在程度。

       例如，在 PC 中混入適量 PS，PS 呈近似珠粒狀分散于 PC 連續相中，可使內應力沿球面分散緩解，并阻止裂紋擴展，從而達到降低內應力的目的。

       再如，在 PC 中混入適量 PE，PE 球粒外沿可形成封閉的空化區，也可適當降低內應力。

       D、增強改性

       用增強纖維進行增強改性，可以降低制品的內應力，這是因為纖維纏結了很多大分子鏈，從而提高應力開裂能力。

       例如，30 % GF + PC 的耐應力開裂能力，比純 PC 提高6倍之多。

       E、成核改性

       在結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，使內應力降低并得到分散。

       2、加工成型條件的控制

       在塑料制品的成型過程中，我們記住三個“凡是”：

       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，都能降低冷卻內應力；

       凡有助于塑料制品脫模的加工方法，都有利于降低脫模內應力。

       對內應力影響較大的加工條件主要有如下幾種：

       A、料筒溫度

       較高的料筒溫度有利于取向應力的降低，這是因為在較高的料筒溫度，熔體塑化均勻，粘度下降，流動性增加，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，冷卻定型后殘余內應力則較大。

       但是，料筒溫度太高也不好，太高容易造成冷卻不充分，脫模時易造成變形，雖然取向應力減小，但冷卻應力和脫模應力反而增大。

 

 

       B、模具溫度

       模具溫度的高低對取向內應力和冷卻內應力的影響都很大。

       一方面，模具溫度過低，會造成冷卻加快，易使冷卻不均勻而引起收縮上的較大差異，從而增大冷卻內應力；

       另一方面，模具溫度過低，熔體進入模具后，溫度下降加快，熔體粘度增加迅速，造成在高粘度下充模，形成取向應力的程度明顯加大。

       C、注射壓力

       注射壓力高，熔體充模過程中所受剪切作用力大，產生取向應力的機會也較大。

       因此，為了降低取向應力和消除脫模應力，應適當降低注射壓力。

       D、保壓壓力

       保壓壓力對塑料制品內應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，此時若施以高壓，必然導致分子鏈的強迫取向，從而形成更大的取向應力。

       E、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力。

       但注射速度過低，塑料熔體進入模腔后，可能先后分層而形成熔化痕，產生應力集中線，易產生應力開裂。

       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束充模。

 

 

       F、保壓時間

       保壓時間越長，會增大塑料熔體的剪切作用，從而產生更大的彈性形變，凍結更多的取向應力。

       所以，取向應力隨保壓時間延長和補料量增加而顯著增大。

       G、開模殘余壓力

        應適當調整注射壓力和保壓時間，使開模時模內的殘余壓力接近于大氣壓力，從而避免產生更大的脫模內應力。

       總結：成型溫度高一點，成型壓力小一點，成型速度慢一點，保壓時間少一點，保壓壓力高一點。

 

       四、塑料制品熱處理怎么做？

       熱處理是消除內應力，尤其是內取向應力的一個好方法。對于以下幾種產品來說：都需要熱處理：分子鏈剛性大、玻璃化溫度較高的；壁厚較大、帶金屬嵌件的；使用溫度范圍較寬的；尺寸精度要求較高的；經過機械加工的；都需要，甚至是必須進行熱處理。

       常采用的熱處理溫度高于制件使用溫度 10 — 20 ℃ 或低于熱變形溫度 5 — 10 ℃。一般厚度的制件，熱處理 1 — 2 小時即可。

 

 

       五、塑件設計時如何規避內應力？

       1、形狀和尺寸

       為了有效地分散內應力，應遵循這樣的原則：制品外形應盡可能保持連續性，避免銳角、直角、缺口及突然擴大或縮小。

       對于塑料制品的邊緣處應設計成圓角，其中內圓角半徑應大于相鄰兩壁中薄者厚度的70%以上；外圓角半徑則根據制品形狀而確定。

       對于壁厚相差較大的部位，因冷卻速度不同，易產生冷卻內應力及取向內應力。因此，應設計成壁厚盡可能均勻的制件，如必須壁厚不均勻，則要進行壁厚差異的漸變過渡。

       2、金屬嵌件

       塑料與金屬的熱膨脹系數相差 5 — 10 倍，因而帶金屬嵌件的塑料制品在冷卻時，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，在嵌件周圍的塑料內層受壓應力，而外層受拉應力作用，產生應力集中現象。

 

 

       在具體設汁嵌件時，應注意如下幾點，以幫助減小或消除內應力：

       盡可能用塑料嵌件代替金屬嵌件；

       盡可能用熱膨脹系數相差小的金屬和非金屬材料（鋁/銅/鋁合金）；

       金屬嵌件表面涂覆橡膠或 TPU 緩沖層，保證成型時涂覆層不熔化，即可降低兩者收縮差；

       金屬嵌件表面脫脂化處理，防止油脂加速制品的應力開裂；

       金屬嵌件進行適當的預熱處理。

       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 h ≥ 0.8 D；對于銅嵌件，塑料厚度 h ≥ 0.9 D；

       金屬嵌件應設計成圓滑形狀，最好帶精致的滾花紋。

       3、上孔設計

       塑料制品上孔的形狀、孔數及孔的位置都會對內應力集中程度產生很大的影響。

       為避免應力開裂，切忌在塑料制品上開設棱形、矩形、方形或多邊形孔。應盡可能開設圓形孔，其中橢圓形孔的效果最好，并應使橢圓形孔的長軸平行于外力作用方向。

       如開設圓孔，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，這樣可以取得與橢圓孔相似的效果；還有一種方法，即在圓孔周圍開設對稱的槽孔，以分散內應力。

 

       六、如何測試應力開裂？

       我們這邊仍然以 PC 為例，來看看應力開裂應該怎么測試，這里主要介紹的是醋酸浸泡法，步驟如下：在室溫下用冰醋酸或四氯化碳溶劑，浸泡未經退火處理的帶螺絲部件的注塑制品，從放入溶劑中到出現裂紋的時間，記為應力開裂時間。

       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 25 ℃ 的冰醋酸中 30 s，取出后晾干后檢查表面，仔細檢查外觀，如有細小致密的裂紋，說明此處有內應力存在，裂紋越多，內應力越大。

 

轉自——【功能高分子及助劑】公眾號

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